Nanovetenskap en unik möjlighet Manus: Kristoffer Meinander

Nanovetenskap en unik möjlighet Manus: Kristoffer Meinander Nanovetenskap eller nanoteknik är ett nytt forskningsområde där målsättningen är tillverkning och kontrollerbarhet av material på en atomär och molekylär skala en längdskala på omkring 1 100 nanometer. Nanovetenskap är en multidisciplinär vetenskap som binder samman kunskap från bland annat fysik, kemi, biologi och ingenjörskonst. Nanovetenskapen har kommit till som en naturlig följd av de framsteg som gjorts inom dessa områden för att förbättra förståelsen för komplexa atomära system. Hur liten är egentligen en nanometer? För att skapa sig en bild av hur stor en nanometer (nm) en miljondels millimeter eller 10-9 meter egentligen är, lönar det sig att göra några jämförelser. Typiska avstånd mellan atomer i en vanlig molekyl, till exempel syreatomerna i O 2, är omkring en ångström eller 0,1 nm. Större molekyler kan vara över en nanometer i storlek; så har t.ex. en DNA-dubbelhelix (den kedjeliknande molekylen som fungerar som bärare av den ärftliga informationen, genomet, i organismers celler) en diameter på ungefär 2 nm. De minsta encelliga organismerna däremot har längder på omkring 200 nm. Om man jämför en nanometer med en meter, får man samma förhållande som mellan diametrarna på en vanlig fotboll och på jordklotet. Ett annat sätt att se på saken är att en nanometer är den längd som en mans skägg i medeltal växer på den tid det tar för honom att lyfta ett rakblad till ansiktet! Figur 1. Förhållandet mellan jordens diameter (ca 1 000 km) och diametern på en fotboll (ca 0, m) är ungefär lika stort som förhållandet mellan fotbollens diameter och diametern på en fulleren (ca 1 nm). Fullerenen är en liten molekyl bestående av endast kolatomer. Den mest välkända fullerenen är C 60, även kallad Buckminsterfullerenen efter den berömda arkitekten Buckminster Fuller (han skapade byggnader med likadan struktur). 1

Varför är nano annorlunda? Då storleken av ett material minskar kan en del egenskaper förändras, vilket i sin tur leder till oanade fysikaliska fenomen. Till dessa förändringar hör bland annat en enorm ökning av förhållandet mellan ytan och volymen av materialet, vilket starkt kan förändra materialets mekaniska och kemiska egenskaper. En boll med en diameter på en nanometer av t.ex. guldatomer, ett guldnanokluster, har över 50 procent av sina atomer på ytan, medan en guldboll med en diameter på en mikrometer, en tusendels millimeter, endast har 0,5 promille av sina atomer på ytan. Ett ökat antal atomer på ytan påverkar materialet genom bland annat en förändrad smälttemperatur och ökad kemisk reaktivitet. Medan makroskopiskt stora stycken av guld vanligtvis är mycket inerta, kan ett guldnanokluster å sin sida reagera mycket kraftigt med andra ämnen och t.ex. fungera som en katalysator för andra kemiska reaktioner. Figur 2. Ett nanokluster av kopparatomer. Nanokluster är små anhopningar av atomer där en stor del av det totala antalet atomer befinner sig på ytan. Ytatomerna gör att ett nanokluster beter sig annorlunda än ett större stycke av samma material. En annan egenskap som förändras då storleken minskar är elektronstrukturen (tillåtna energinivåer för elektroner) och genom den de elektriska och optiska egenskaperna hos material. Många av de makroskopiska egenskaperna hos material är endast beroende av antalet elektroner som snurrar runt atomerna i materialet, elektronernas energier och den överloppsenergi som de kan motta eller avge. Enligt kvantmekaniken är elektronernas tillåtna energi kvantiserad (starkt bunden till vissa tillåtna värden) och starkt beroende av vilken omgivning de befinner sig i, vilket leder till en del märkliga fenomen, bland annat att en elektron kan befinna sig på flera ställen samtidigt. Kvantmekaniken spelar en större roll i system vars antal atomer är mycket litet, med följden att normalt isolerande material kan bli elektriskt ledande och att ogenomskinliga material, t.ex. koppar, kan bli genomskinliga. Genom att variera storleken av vissa nanokluster kan man också ändra på deras färg med hela spektrets skala, allt från rött till blått, som resultat. 2

Figur. Energinivåerna för elektronerna i ett nanokluster påminner om energinivåerna runt en atom, men varierar beroende på antalet atomer i klustret. Genom att ändra på klustrets storlek är det därför möjligt att skapa en konstgjord atom vars egenskaper bestäms av de nya tillåtna nivåerna. Adderar man en extra atom till klustret kommer nivåerna att förändras med följden att t.ex. en annan våglängd av ljus kan absorberas av klustret. En annan följd av att förminska system till nanometerstorlek är att strukturerna blir mer perfekta. Makroskopiska material är sällan alldeles perfekta, utan de har sträva ytor, orenheter och malplacerade atomer. På nanometerskalan finns det färre möjligheter till fel då strukturerna byggs upp. En naturlig följd av ideala strukturer är en ökad styrka (kolnanorör kan vara upp till flera storleksordningar hårdare än stål) och färre mekaniska motkrafter i form av friktion. Figur. Ett kolnanorör. Kolnanorör är perfekta nanostrukturer som består av en skiva kolatomer ihoprullade till ett rör. Kolnanorör är mycket starka i förhållande till sin storlek. En annan intressant egenskap hos material i nanometerskalan är att stora molekyler och grundläggande biologiska strukturer är av ungefär samma storlek. De byggs upp av en process som kallas självarrangemang, dvs. slumpmässiga rörelser hos små molekyler får dem sakta att söka sig till kemiskt eller fysikaliskt fördelaktiga positioner. Denna naturliga process försöker man efterapa i nanovetenskap. Relativt enkla, på förhand tillverkade små molekyler som är av samma storlek som de biologiska kan i lämpligt valda kemiska och fysikaliska omgivningar fås att bygga upp större komplexa strukturer genom självarrangemang. Till och med människans eget DNA kan modifieras för den här tillämpningen, för att skapa artificiella molekyler som självarrangeras istället för naturliga. Sådana förändringar i de fysikaliska fenomenen, som varken kan förutspås utifrån egenskaperna hos de enskilda atomerna eller utifrån egenskaperna hos de makroskopiska material de kommer

från, ger hopp om att nanoskalan döljer upptäckter vilka varit utom räckhåll till och med för den vildaste fantasi. Denna emergens av komplexa system ur atomär enkelhet (enkel + enkel = komplex) är nyckeln till hela nanovetenskapen, där en kontrollerad uppbyggnad, atom för atom, förmodas resultera i de mest oväntade och allmännyttiga egenskaper. Uppgift: Beräkna hur stor del av atomerna som befinner sig på ytan av en boll med radien a) 1 meter b) 1 mikrometer c) 1 nanometer, om ett atomlager är ungefär 2 ångström (t = 0,2 nm) tjockt. Volymen av hela bollen är: Vboll r Volymen av bollens ytlager är: V yta r ( r t) Förhållandet mellan volymen av ytlagret och hela.bollens volym kan då beräknas som: V V yta boll ( r ( r t) r ) ( r t) 1 r För olika värden på r får vi då olika stora andelar atomer i ytlagret: Makroboll: r 1m ( r t) 1 r (1m 2 10 1 (1m ) 10 m) 6 10 10 Mikroboll: r 1 m ( r t) 1 r 6 (1 10 m 2 10 1 6 (1 10 m) 10 m) 6 10 Nanoboll: 9 10 ( r t) (1 10 m 2 10 m) r 1nm 1 1 0. 5 9 r (1 10 m) 50% av atomerna är ytatomer i en nanoboll!

Nanovetenskapens verktyg Framsteg inom nanovetenskapen har gått hand i hand med utvecklingen av nya analytiska forskningsinstrument. I början på 1980-talet uppfanns sveptunnelmikroskopet (STM, från engelskans scanning tunneling microscope ) och atomkraftsmikroskopet (AFM, från engelskans atomic force microscope ), med vars hjälp nanometerstora strukturer och även enskilda atomer kunde visualiseras. I STM utnyttjar man den kvantmekaniska egenskapen hos elektroner att de kan hoppa från en atom till en annan trots att deras energier egentligen inte skulle tillåta det. Genom att mäta hur enkelt elektroner hoppar från ytan av en provbit till en metallspets (alltså strömmen mellan ytan och spetsen) får man information om hur nära ytan spetsen befinner sig och vilka egenskaper ytan har. Genom att svepa över ytan med spetsen kan man således mäta mycket små höjdskillnader och skapa en topografisk bild av hur ytan ser ut. I AFM använder man sig av atomernas naturliga förmåga att attrahera eller repellera varandra. Genom att svepa en skarp spets över provets yta samtidigt som spetsen trycks ner med en konstant kraft kan man skapa en topografisk bild av ytan. Resolutionen (eller urskiljningsförmågan) i höjdled för STM och AFM är endast 0,1 ångström så litet som en tiondel av en atomradie! Figur 5. Atomkraftsmikroskopets funktion. En skarp spets sveper över ytan, samtidigt som dess position mäts med en känslig laseranordning. I själva verket hålls spetsen stilla medan provbiten under spetsen gungar fram och tillbaka för att ge samma effekt som om spetsen rörde sig. Provbitens styrs av en piezoelektrisk skanner, där de styrande elementen är piezoelektriska kristaller kristallina material som kan utvidga sig eller dra ihop sig under påverkan av ett yttre elektriskt fält. Förändringarna i längden på de piezoelektriska elementen i skannern kan variera från bråkdelen av en nanometer ända upp till ett flertal mikrometer. Samtidigt som provbiten sveps 5

under spetsen justeras provbiten uppåt och nedåt för att avståndet (= kraften) mellan provbiten och spetsen, och därmed spetsens position, skall hållas konstant. Samma signal som används för att justera provbitens höjd ger en topografisk bild av provbitens yta. Ett annat instrument som varit viktigt för nanovetenskapen är elektronmikroskopet. Till skillnad från optiska mikroskop, där ljus fokuseras genom olika linser för att skapa en större bild av det föremål som belyses, använder sig elektronmikroskopet av elektronstrålar. Då en stråle av elektroner skjuts mot en tillräckligt tunn skiva av ett material kommer elektronerna att tränga igenom och spridas på olika sätt beroende på hur atomerna i materialet är belägna och av vilken typ de är. En bild av materialet kan då skapas om elektronerna fokuseras och förstoras på en fosforiserande skärm. Möjligheten att se strukturer på en nanometerskala har gjort mycket för nanovetenskapens utveckling de senaste årtiondena. Svepandespetsmikroskopen STM och AFM i kombination med elektronmikroskopet och förädlade tekniker för beläggning av atomer på ytor har gjort det möjligt att förverkliga uppbyggnaden och manipulationen av nanostrukturer. Figur 6. Biologiska strukturer på en yta, undersökta med AFM. Atomkraftsmikroskopet ger information om strukturens ytor och hur olika molekyler växelverkar med dessa ytor. 6

Tillämpningar Trots att nanovetenskapen hittills utlovar ett myller av oanade möjligheter, har de kommersiella tillämpningarna varit begränsade. De enda nanoprodukter som är tillgängliga på den öppna marknaden är passiva nanomaterial, där t.ex. atomkluster eller kolnanorör blandats med andra material för att på något sätt förbättra produktens tidigare egenskaper. Som exempel kan nämnas titandioxid-nanopartiklar som blandas i solkräm eller annan kosmetika på grund av deras goda förmåga att absorbera rätt våglängd av ljus, eller kolnanorör som blandas i polymermaterial för tillverkning av starkare sportredskap. De verkligt stora, och eventuellt revolutionerande, tillämpningarna som nanovetenskapen har att erbjuda är ännu kvar på laboratoriebordet, där forskarna runt om i världen tappert kämpar för att överkomma problem som massproduktivitet och kontrollerbarhet. Bland de otala tillämpningar som finns i dagens läge men ännu förbättras i laboratorierna hittar man t. ex. kolnanorörtransistorn, som fungerar med så litet som en elektron i taget lyckas den kan miniatyriseringen av elektronikindustrins produkter få en god fortsättning, samtidigt som ett minskat behov av ström kan öka batterilivslängden med flera storleksordningar. Nanomaskiner som gör allt från att rotera små molekyler till att flytta enskilda atomer och tunna filmer med exotiska egenskaper är andra tillämpningar. Bland de tunna filmer som har goda framtidsutsikter hittar man beläggningar som gör bl. a. kläder, fönster och bilar självrenande, plåster som kan diagnostisera och behandla ett hundratal sjukdomar och ytor med estetiska optiska egenskaper (där allt från färg till reflektivitet och genomskinlighet kan varieras elektroniskt). Av dessa protoyper är det endast en bråkdel som kommer att bli verkliga kommersiella framgångar, medan andra guldgruvor ännu ligger oupptäkta i väntan på sin upptäckare. Uppfinningsrikedom är ibland den bästa tillgången när det gäller att finna tillämpningar för nanovetenskapen. 7

Figur 7. Rymdhissen. Bland annat forskare vid NASA är engagerade i ett projekt för att konstruera en hiss ut i rymden. Med en tillräckligt stark kabel skulle en meteorit kunna fästas i bana runt jorden. I en hisskorg längs med kabeln skulle sedan föremål lyftas upp i rymden. Det har beräknats att en kabel gjorde av kolnanorör i teorin skulle vara stark nog för denna uppgift. Det finns många trovärdiga tillämpningar av nanovetenskapen som har en chans att hitta ut på den öppna marknaden inom en snar framtid. Kolnanorör kommer högst sannolikt att användas i många tillämpningar på deras styrka och förmåga att leda elektricitet och värme. Energiproduktionen är i behov av förändringar i framtiden och chanserna är stora att lösningarna kommer just från nanovetenskapen, eftersom effektivare solcellsmaterial och strukturer för förvaring av vätemolekyler hör till de möjliga tillämpningarna. Även inom läkemedelsindustrin har nanovetenskap mycket att erbjuda; skräddarsydda molekyler med uppgift att föra läkemedel till önskade ställen i kroppen har redan utvecklats. Tillämpningsområdena för nanovetenskap är nästan obegränsade, och fler dyker upp för varje dag som går. I de flesta fall är forskarna rätt så försiktiga i sina uppskattningar om vad som i praktiken kan möjliggöras genom nanovetenskap, men vissa undantag finns och bland dessa hittar man några av de vildaste visionerna. Den mest utopistiska visionen i fråga om nanovetenskap är att en ökad kontroll av nanoskalan skulle ge oss möjligheten att konstruera sådana nanomaskiner som genom att manipulera sina egna atomer, skulle vara självunderhållande och även ha förmåga till reproduktion. Efter tillräcklig reproduktion skulle ett (så gott som) oändligt antal maskiner sedan kunna omprogrammeras för att bygga upp andra strukurer, atom för atom, med vilket valbart syfte som helst. Resultatet av det här 8

skulle vara en fullständig kontroll över alla material, på alla deras längdskalor. Inverkan av detta är svår att förutspå, men många problem skulle kunna lösas. För att ge ett exempel: organiska celler skulle kunna byggas upp eller repareras atom för atom i praktiken skulle alla världens sjukdomar då kunna botas! 9