Nanoteknik - framtidens teknik

Nanoteknik, nanofysik, nanoelektronik, nanokemi, nanometerteknik.. Ord som vi ständigt hör från både vetenskapen och medierna, men vad är egentligen nanoteknik? Har nanotekniken verkligen möjlighet att uppfylla de fantasier och förhoppningar som dess rykte utlovar? I den här artikeln är tanken att vi skall ta en närmare titt på vad nanoteknik är, dess ursprung, vilka tillämpningsområden den har, hur dess framtid ser ut samt om den medför några faror och risker.

Vad är nanoteknik?

Ordet nano kommer från grekiskan (nanon) och betyder dvärg. Omkring 1960 adopterades ordet av vetenskapen, där det började användas som ett prefix inom metersystemet. 1 nm (nanometer) är en miljondels millimeter, eller 10−9 meter. En genomsnittlig atom är ca. 0,1 nm. För att få ett perspektiv på hur små skalor det rör sig om finns det en välkänd liknelse: om en partikel med storleken 1 nm jämförs med en fotboll, blir förhållandet detsamma som om fotbollen skulle jämföras med vår planet, jorden.

På ett förenklat sätt kan den materiella världen delas upp i tre områden (x = materiestorlek):

Makrovärldenx >= 10-3 mDen här världen "vistas" vi i, 10-3 m = 1 mm
Mikrovärlden10-9 m < x < 10-3 mDet mänskliga ögat kan se ner till ungefär 10−5 m
Nanovärldenx <= 10-9 mMateriens byggstenar

Utifrån ovanstående kan enkelt en slutsats dras om att nanoteknik handlar om vetenskap på extremt liten skala, eller enligt mer officiella termer:

- nanoteknik handlar om att studera och manipulera materien på atomär nivå.

Denna observation av nanoteknik gör att den inte helt går att utmärka nanoteknik som en egen vetenskapsgren, snarare bör den definieras som en tvärvetenskaplig korsning mellan kemi, fysik och biologi.

Nanoteknikens historia

Sveptunnelmikroskopet

Ser vi till den moderna formen av nanoteknik brukar det grundläggande startskottet till dess framfart anses vara uppfinnandet av sveptunnelmikroskopet (STM). 1981 uppfann och utvecklade två forskare (Gerd Binning och Heinrich Rohrer) vid IBM:s laboratorium STM, som genom att föra en väldigt fin spets över ett föremåls yta kunde läsa av dess yttre atomlager och därmed skapa en högupplöst bild på atomär nivå.

Funktionaliteten bakom STM baseras på en kvantmekanisk effekt som kallas tunneleffekten, vilket utan att bli allt för terminologisk innebär att partiklar har, när det kommer till kvantmekanik, utöver sin normala rörelse även en vågfunktion som sträcker sig längre än själva partikeln gör, även förbi eventuella "hinder". Denna våg skapar en svag elektrisk ström mellan STM och den yta som avläses. Att genom STM få möjlighet att se på atomär nivå var extremt revolutionerande i sig, men följden av STM skulle visa sig vara, om möjligt, än mer revolutionerande. Genom att sänka den spets som läste av föremålets yta gavs även forskarna möjlighet att flytta och manipulera enskilda atomer.

Gerd Binning och Heinrich Rohrer tillsammans med Ernst Ruska tilldelades 1986 års Nobelpris i fysik för uppfinnandet och utvecklandet av sveptunnelmikroskopet.

Kol-60-molekylen
Sveptunnelmikroskop vid London Centre for Nanotechnology
© O. Usher
Järnatomer på en kopparyta
Manipulering av järnatomer på en kopparyta med hjälp av ett sveptunnelmikroskop
Bildkälla: http://www.dd.chalmers.se/~lundstro/stm.pdf

Tidig historia

Innan vi fortsätter med att utröna nanoteknikens moderna historia måste det bara konstateras att nanoteknik egentligen inte är något nytt påfund, utan att det snarare är benämningen och tillämpningen som är en nyhet. Under flera århundraden har kemister och tekniker använt sig av vad som egentligen skulle kunna kallas nanoteknik. De färgade fönstren i gamla kyrkor är t.ex. den äldsta kända tillämpningen av nanopartiklar, och Albert Einsteins beräknande av sockermolekylens storlek till 1 nm (vilket han gjorde i sin doktorsavhandling år 1905) är i själva verket också exempel på nanovetenskap.

Modern historia

Tillbaka till den moderna nanoteknikens historia. Som sagt fick nanotekniken sin första riktiga skjuts framåt tack vare uppfinnandet av sveptunnelmikroskopet. Men redan 1959 gav en fysiker vid namn Richard Feynman ett känt tal om framtidsperspektivet kring manipulering av materiens byggstenar, atomerna: "There's Plenty of Room at the Bottom,". Detta tal anses av många vara en utav drivkrafterna till de uppfinningar och upptäckter som skulle följa därefter. Nästa viktiga årtal (utöver sveptunnelmikroskopet) i nanoteknikens historia är 1985, året då molekylfamiljen fullerener upptäcktes. Den första molekylen som upptäcktes av detta slag var C60, eller buckministerfullerenen - kommer att kallas för kol-60 under resten av artikeln. Kol-60 innehåller 60 kolatomer bundna till varandra genom starka kovalenta bindningar i form av en sfär, vardera kolatom har även en outnyttjad elektron vilket gör att kol-60 precis som grafit leder elektrisk ström samt har möjlighet att binda andra atomer. Egentligen skulle det faktiskt gå att säga att kol-60 i princip är grafit, format som en sfär. Men det som var så speciellt med upptäckten av fullerenen var inte bara dess likehet med grafit, utan dess användningsområde. En kol-60-molekyl har en diameter om ca. 1 nm, och tack vare dess form och storlek, kombinerat med kolets egenskaper, kunde forskare använda kol-60-molekyler som byggstenar för att specialtillverka egna molekyler.

Sir Harold W. Kroto, Robert F. Curl Jr. och Richard E. Smalley tilldelades 1996 års Nobelpris i kemi för upptäckten av buckministerfullerenen, kol-60.

Kol-60-molekylen
Kol-60-molekylen, buckministerfullerenen

Nanoteknikens tillämpningsområden

Nanorör

Det allra kändaste och mest omtalade nanomaterialet är kolnanorör, eller bara nanorör. Nanorör har observerats sedan mitten av 1900-talet, men det var inte förrän 1991 som Sumio Iijima klev fram och kunde förklara vad nanorören egentligen var för någonting, tog foton av dem och tilldelade dem ett namn. Nanorören hör till gruppen fullerener, precis som kol-60, och har generellt sett även en liknande diameter, 1 nm. Längden på nanorören varierar, och det längsta som har observerats till dagens dato är 55 centimeter (2013, Growth of Half-Meter Long Carbon Nanotubes Based on Schulz–Flory Distribution). Det speciella med nanorör är dess egenskaper, exempelvis är nanorör 100 gånger starkare än stål samtidigt som det är både elastiskt och lätt. Nanorör har även en högre konduktivitet än metall, istället för att som i metaller där delokaliserade elektroner möter på motstånd i form av att de krockar med metallatomer, beter sig elektronerna i ett nanorör som en våg – de lyder under kvantmekanikens lagar. Nanorören är dock inte definierbara som en enda typ, utan det finns flera. Den största skillnaden mellan dessa olika typer är dess konduktivitet. Armchair-nanorör agerar som ledare, medan zigzag- och chiral-nanorör agerar som halvledare. Exempel på nanorörens anvädningsområden är starka rep och andra material där det krävs extrem hållbarhet, elektronik och datorkomponenter såsom t.ex. transistorer och minnen, eller som detekterare av t.ex. kemiska gaser.

Nanorör av olika typer
Nanorör av typen armchair, zigzag och chiral

Cancermedicin

Det pågår intensiv forskning kring möjligheten att använda nanomaterial för att bekämpa cancer. En utav tillämpningarna inom detta område är en behandlingsform som baseras på nano-järnoxid och magnetism. Forskningens nuvarande status är att nano-järnoxid-partiklarna injiceras direkt i cancertumören, vartefter partiklarna utsätts för magnetism vilket leder till elektronexcitation följt av stark värmeutveckling, som slutligen dödar tumören. Problemet med denna typ av behandling är att det är väldigt svårt att injicera partiklarna, därför forskar man nu även kring ”intelligenta” nanopartiklar som inte behöver injiceras direkt i tumören. Dessa nanopartiklar skall istället själva leta upp tumören för att sedan penetrera dess hölje, detta hoppas man kunna uppnå genom att utnyttja de kemiska olikheter som finns mellan cancerceller och vanliga friska celler.

Labb-på-chip

Ytterligare ett problem inom medicinen som det finns förhoppningar kring att nanotekniken skall lösa är säkerställning av tillförlitliga diagnoser. Som det ser ut idag är det både kostsamt och tidskrävande att undersöka och diagnostisera sjukdomar hos människor. Labb-på-chip-tekniken bygger på ett litet chip där det skall räcka att tillsätta en droppe blod, blodet sprids sedan ut genom kanaler i nanoskala vartefter det stöter ihop med nanosensorer, som utför sina specifika tester. Förhoppningarna kring labb-på-chip-tekniken är att chippen skall vara enkla och billiga att tillverka, och att hundratals sjukdomar skall kunna testas genom enbart ett litet blodprov.

Nanoteknik och datorer

Dagens datorer använder sig av transistorer för att tänka, en transistor kan liknas vid en strömbrytare som berättar om en bit (en informationsbärare av data som vanligen består av siffrorna 0 eller 1, av eller på.) är av eller på. Ju snabbare datorerna blir, desto mindre måste transistorerna bli. Men med kisel, som används i dagens processorer, kan man inte göra dessa transistorer hur små som helst. Enligt Moore's Lag (som säger att antalet transistorer fördubblas var 20:e månad) kommer vi att kunna fortsätta förminska transistorerna till ca. 30 nm, vilket beräknas inträffa någonstans 2015-2020, efter det blir det stopp. Därför försöker forskare nu utnyttja nanoteknik för att övervinna detta hinder, och här kommer nanorör in i bilden. Genom att integrera nanorör skulle det gå att krympa transistorerna ända ner till ca. 1 nm, att döma av forskningen som bedrivs kring denna typ av processor skulle inte bara innebära att transistorerna blev mindre, de skulle även bli snabbare samt inte generera lika mycket värme. Dessa transistorer går under benämningen SET (single-electron transistor), och baseras på samma fenomen som sveptunnelmikroskopet, tunneleffekten. Genom att utnyttja denna kvantmekaniska effekt skulle det teoretiskt sett gå att manipulera elektronerna som flödar genom nanoröret att komma en och en, vilket skulle kunna ge samma resultat hos en konventionell transistor, 0 eller 1, av eller på – fast mycket snabbare.

Övriga tillämpningar

De tillämpningar som har tagits upp här ovan är bara ett par handplockade exempel på tillämpningar inom nanotekniken. I dagens läge bedrivs det enormt många forskningsprojekt, och oerhört mycket pengar pumpas årligen in i nanorelaterad forskning. Som ytterligare exempel kan tas forskning kring nanofiber som kan förmå kroppen att bilda nya blodkärl, vilket skulle vara mycket användbart vid t.ex. ett hjärtas läkning efter en hjärtinfarkt. Eller utnyttjandet av nanomaterial i kläder, nanomaterial som skapar en skyddande hinna vilket gör att kläderna får en egenskap liknandes den hos lotusblomman – vätska och smuts rinner av och lämnar efter sig en helt ren yta.

Nanoteknikens framtid

Verklighet eller science fiction?

Nanotekniken ger upphov till drömmar, inte bara hos science fiction-författarna utan även hos vanliga människor. Dock kan det ibland vara svårt att skilja science fiction från verklighet, inte minst med tanke på florerande rykten kring vad nanotekniken erbjuder och kommer att kunna erbjuda. Ett ständigt förekommande rykte är s.k. nanobots, robotar i molekylstorlek som simmar runt i människors blod och letar efter sjukdomar som behöver behandlas. Det är aldrig bra att sluta drömma eller tappa hoppet, men scenarion likt detta är enligt ledande forskare högst osannolikt, om inte omöjligt. Ytterligare ett rykte, som även det startats av science fiction-författare, är det om självorganisation i makroskala, intelligenta nanopartiklar som replikerar sig själva enligt förbestämda mönster för att skapa färdiga föremål i makrovärlden. Självorganisation i sig är en naturlig process där partiklar rent spontant placerar sig själva i komplexa strukturer, ett exempel på detta är när kristaller bildas i en lösning. Det förekommer mycket forskning kring nanopartiklar och självorganisation, och det appliceras även till stor del inom nanotekniken. Men att kunna nyttja denna process för att skapa objekt av makrostorlek anses även detta av ledande forskare vara en omöjlighet.

Faror och risker

Som alltid med nya upptäckter och ny forskning medföjler det även risker, precis som att flygplansolyckor uppfanns samtidigt som flygplanet. Problemet med nanopartiklar och hälsoaspekter är just dess storlek. Vid inandning av vanliga partiklar i mikrometerstorlek fastnar partiklarna oftast i luftrörsväggarnas slem och transporteras bort, men på grund av nanopartiklarnas ringa storlek finns risken att de tar sig förbi slemmet och tränger djupare in i lungorna. Tyvärr finns det i dagsläget väldigt lite forskning kring nanopartiklars toxicitet, därför kan ingen med säkerhet säga hur dessa partiklar kommer att påverka varken människa eller miljö. Däremot anser ledande toxikologer att de potentiella riskerna inte är stora nog för att sakta ned utvecklingen kring nanoteknik, nanoteknikens värde och användbarhet för mänskligheten överskuggar de potentiella riskerna. Här är dock några exempel på när nanoteknik har risk att stöta på toxikologiska problem i miljö- och hälsoavseendet:

Källförteckning

Sveptunnelmikroskopi, C Lundström et al. (2004)
Nanotechnology for dummies, R Booker och E Boysen, Wiley Publishing Inc. (2005) ISBN: 0764583689
Välkommen till Nanovärlden, UR/SVT (2009)