Emma Johansson

Transkript

1 MÄLARDALENS HÖGSKOLA Nanoteknik PM i kursen Produktutveckling 3, Emma Johansson

2 1. Inledning 3 2. Syfte Frågeställningar 4 2. Nanoteknik Begreppsförklaring Nanoteknologins historia Nanoteknik idag Hur det fungerar på nanonivå Nanoteknik i förpackningar Risker 7 3. Avslutande reflektioner 8 4. Referenser 9 Internetkällor 9 2

3 1. Inledning I kurserna produktutveckling 2 och 3 utfördes ett projektarbete i samarbete med Tooltracker AB i Eskilstuna. Syftet var att ta fram ett förpackningskoncept till Tooltrackers produkt som spårar verktyg. En uppgift i samband med den senare delen av projektet var att skriva ett individuellt PM. Jag har valt att fördjupa mig inom nanoteknik eftersom jag tycker att det verkar intressant och för att jag tror att det kommer att spela en mycket viktig roll i framtiden inom många olika områden - inte minst i förpackningsbranschen. Redan idag är tekniken flitigt använd i produkter som finns runt omkring oss i vår vardag. Nano är ett prefix som i huvudsak används inom naturvetenskapen. Det är det samma som 10-9, alltså en miljarddel. En nanometer är följaktligen en miljarddels meter. Det är så otroligt litet att det knappt går att föreställa sig, det går att jämföra med en atom som är 0,1 nanometer, och en tidningssida som är nanometer tjock. Nanoteknik handlar om att visualisera de ytterst små partiklarna och på så sätt skaffa kunskap om dem som gör att de går att manipulera till att passa önskat ändamål. Nanotekniken kan appliceras inom många områden, såsom materialtillverkning, kemi, elektronik och läkemedelsframtagning. 3

4 2. Syfte Syftet med detta PM är göra en fördjupning inom ett område som på något sätt kan vara till fördel för projektet. Det är i nuläget inte realistiskt för ett företag som Tooltracker att blanda in nanoteknik i utformandet sina förpackningar. Det skulle definitivt inte vara billigt, och det är ett av huvudkraven. Men jag kommer ändå att titta på möjligheterna för förpackningen om tekniken varit mer tillgänglig i dagens läge. 2.1 Frågeställningar De frågeställningar som jag kommer att göra ett försök att besvara under arbetet med detta PM är följande: Hur kan tillämpandet av nanoteknik komma att utveckla förpackningsbranschen? Finns det några risker med utvecklingen? Hur fungerar nanoteknologi på nanonivå? Hur kommer min vardag att påverkas av nanoteknologin? 2. Nanoteknik 3.1 Begreppsförklaring Ordet nano kommer ursprungligen från ordet nanos som betyder dvärg på grekiska. Nano är ett naturvetenskapligt prefix som står för en miljarddel. Storleken på partiklarna som omfattas av nanoteknik är mellan 1 och 100 nanometer. Egenskaperna hos materialet påverkas av formen och partiklarnas storlek. Nanotekniken ger möjligheten att manipulera och styra dessa partiklar på atomär nivå. 3.2 Nanoteknologins historia Nanoteknik har i själva verket använts sedan medeltiden, då av glasmästare som tillverkade färgat glas till kyrkfönster. De använde då guldpartiklar i vid infärgningen, eftersom storleken på partiklarna inverkar på färgen. Den första att diskutera nanoteknologi var amerikanen Richard Feynman år Han skrev en bok som bland annat handlade om verktyg som kunde möjliggöra förflyttning av atomer. Benämningen nanoteknik myntades 1974 av en japansk professor vid namn Norio Taniguchi. Han byggde på Feynmanns studier och gjorde vidare fördjupningar inom ämnet. Det var först på 1980-talet som det fick sitt stora genombrott. Först då utvecklades 4

5 sveptunnelmikroskopet med vilket man kunde åskådligöra partiklarna. Det var också inom samma årtionde som man fick tillgång till verktyg som möjliggjorde kontrollerad manipulation. 3.3 Nanoteknik idag Målarfärg, hårddiskar, isolering, solkrämer, TV-apparater och däck alla har de nanotekniken som gemensam nämnare. Solkrämer fungerar genom att reflektera bort solens farliga UV-strålar med partiklar av titandioxid och zinkoxid. Det är vanligt förekommande att lager av starka solkrämer gör huden vit. Detta kan, med nanoteknologi, förhindras genom att istället ta fram nanopartiklar av titandioxid och zinkoxid. Smuts- och fuktavvisande färg är en omåttligt populär produkt i färgbranschen. Gitter av kvartspartiklar bildar en yta som gör att smuts inte kan få fäste samt att fukt kan tränga ut, men inte in. Isolering av cellplast har förbättrats med nanoteknologi så att den bara behöver vara hälften så tjock. Cellerna i plasten är endast 1 nanometer i diameter, se figur 1. Figur 1 - Nanoskum för isolering Källa: BASF: Hur det fungerar på nanonivå Nanoteknik kallas ofta lite skämtsamt för atomslöjd efter som det byggs komponenter som bara är några atomer stora. Det finns två sätt att tillverka nanostrukturer på. Det ena är att utgå från en atom eller molekyl och bygga på den med fler atomer. Den metoden kallas för bottom-up. Den andra metoden kallas för top-down och innebär att en större molekyl reduceras till en nanopartikel. Bottom-up började utövas först i början på talet. Det finns en variant av nanostrukturer som forskarna ser speciellt potential i, 5

6 kolnanorör. Nanorören har redan tagits i bruk och används bland annat till tennisracketar och andra sportartiklar. Rören är uppbyggda av skikt med kolatomer i hexagonal (sexkantig) struktur som rullats ihop. Utseendet skulle kunna liknas vid ett hönsnät, se figur 1. Denna struktur har häpnadsväckande mekaniska egenskaper. Den är upp till hundra gånger starkare än stål, men samtidigt sex gånger lättare. Nanorör är till och med starkare än diamant, vilket gör det till det starkaste existerande materialet. Figur 2 - Nanorör av kol. Källa: Nanorör leder ström, något som kol i normala fall inte gör. Rören leder dessutom ström väldigt bra eftersom det knappt finns något motstånd att jämföra med till exempel en kopparledning. Det bildas därför inte särskilt mycket värme och inga betydande mängder energi går till spillo. Detta faktum tas till vara i utvecklingen av nya snabbare datorer. En dators språk består som bekant av ettor och nollor. En dators processor har i uppgift att stänga och öppna transistorer. Det är små strömbrytare som antingen ger värdet ett eller noll. Ju fler transistorer desto snabbare blir datorerna. Genom att använda nanorör som transistorer, kan man öka antalet på dessa rejält. Ett nanorör är ungefär 2 nanometer brett. Att ämnen förändras i nanovärlden beror på att fysikens lagar inte är de samma som i den stora världen. Gravitationens inverkan till exempel, blir försumbar på så pass små partiklar. För nanopartiklar gäller samma kvantmekaniska lagar som för fotoner (ljus) och elektroner. Det går att masstillverka nanorör. Vid rätt omständigheter vill atomerna organisera sig på ett visst sätt. Antingen som fullerener, en fotbollsliknande ihålig struktur med 60 kolatomer ordnade i ett fem- och sexkantigt mönster. Eller så bildar atomerna de hopprullade flak som tidigare nämnts. Rören kan rulla ihop sig på flera olika sätt, med olika vinklar. Vinklarna har betydelse för rörens egenskaper. De två mest betydelsefulla mönstren kallas länstol och sicksack. Den tredje typen av mönster kallas kirala. Det är länstol som har den exceptionellt bra ledningsförmågan. I framtiden när det priset har sjunkit på nanorör hoppas forskarna kunna använda tekniken till att bygga lättare farkoster. Det skulle innebära mindre utsläpp och högre säkerhet. 6

7 3.5 Nanoteknik i förpackningar Nanoteknik har en viktig roll i förpackningsindustrin redan idag, framförallt bland livsmedelsförpackningar. En plastfolie med namnet Durethan har många positiva inverkningar på förpackningens innehåll. Hållbarheten förlängs avsevärt genom att nanopartiklar av lera stänger ute syre, luft och koldioxid. Den gör även förpackningarna värmebeständigare, lätta och hållfasta. Forskare har kommit på ett sätt att tillföra nanopartiklar som hölje till pappmaterial. Genom att göra det kan pappen få elektrisk ledningsförmåga, bli magnetisk och optisk aktiv. Datummärkningarna på livsmedel skulle då till exempel kunna kompletteras med ett fält som byter färg när bäst före-datum nåtts. Förpackningar som inte avger koldioxid vid förbränning är också en produkt i utvecklingsstadiet. Det skulle göra mycket stor skillnad för miljön med tanke på hur mycket förpackningar som slängs i soporna runt om i världen varje dag. 3.6 Risker Möjligheterna verkar vara oändligt många med den nya tekniken. Det finns dock ett stort orosmoln när det kommer till risker för både miljö och hälsa. Problemet är att forskningen som fokuserar på nanoteknologins möjligheter är mycket större än den andel som forskar efter risker. Eftersom nanopartiklar är väldigt små får de helt andra egenskaper än sina större släktingar. Nanopartiklarnas yttre area är stor i förhållande till volymer vilket gör dem kemiskt reaktiva. En nanopartikel av kol har inte alls samma egenskaper som en vanlig kolpartikel. Forskarna ser tendenser på att nanopartiklarna har toxiska egenskaper. Mycket tyder på att kolnanorören är cancerframkallande på samma sätt som asbest. Man befarar att de små partiklarna i stort sett kan ta sig in var som helst i kroppen. Det är å ena sidan en mycket positiv egenskap som det forskas mycket på i läkemedelsbranschen. Nanopartiklarna kan exempelvis söka upp cancerceller och förstöra dessa utan att påverka friska delar av patientens kropp som cellgifter gör. Problemet är att det finns många farliga partiklar som inte är lämpliga i kroppen, men som ändå kan ta sig in. Dessa blockeras inte av kroppens eget naturliga skydd utan tränger lätt genom vävnader in i blodomlopp, lungor och lymfa. Industrin försöker motverka märkning av produkter som innehåller nanopartiklar. De befarar att det kan få genomslag på samma sätt som genmodifierade produkter och därmed hejda utvecklingen. De är mycket medvetna om att det finns mycket pengar att tjäna och vill inte ta några risker. Det är bland annat därför som det inte skyltas så värst mycket med nanoteknik i produkter. 7

8 3. Avslutande reflektioner Genom att skriva detta PM har jag fått många nya kunskaper om nanoteknologi och allt vad det innebär. Jag märkte under arbetets gång att jag kunnat fortsätta på hur länge som helst, nanoteknik är ett mycket tvärvetenskapligt ämne som det forskas om och utvecklas överallt. Internet är fullt med information om gamla, nyutvecklade och kommande innovationer. Jag kommer sannolikt inte ha någon större nytta av det i projektet med Tooltracker. I framtiden kommer de kanske att kunna använda sig av kraftfulla, lätta och vätskeresistenta förpackningar. Dock kommer jag säkert att som ingenjör stöta på fenomenet någon gång i framtiden och då kunna dra nytta av baskunskaperna. Jag har verkligen fått upp ögonen för ämnet och tycker att det ska bli intressant att följa utvecklingen av nya material, läkemedel och så vidare. Trots risker och en del tveksamhet verkar det som att nanotekniken går mot en ljus framtid. Möjligheterna verkar nästan oändligt många och kommer att beröra de flesta utvecklingsområdena på ett eller annat sätt. Miljön verkar ha mycket att tjäna på tekniken. Samtidigt skulle det också kunna innebära raka motsatsen för miljön om det inte forskas tillräckligt mycket på riskerna. 8

9 4. Referenser Internetkällor 1. Svenska Dagbladet: 1-kontroversiell-teknik_ svd Ny teknik: Sveriges konsumenter: Forskning.se: d html Thai Indian News: Nanotech blog: Konsumentföreningen Stockholm: ARTIKEL_Nina%20Larsson.pdf