Nanoteknologi

Nanoteknologi («nanotek») betegner anvendt naturvitenskap med strukturene av størrelsesorden 0.1 – 100 nm, hvor en nanometer er en milliarddels meter. Karakteristisk for dette sjiktet er at strukturene er for store til å beskrives av enkle atommodeller, samtidig er de for små til å beskrives av klassiske teorier, slik som klassisk termodynamikk, klassisk elektromagnetisme og newtonsk fysikk. Man kan dermed nærme seg nanoteknologi fra to kanter; enten nedenfra, ved å ta utgangspunkt i molekylær kjemi og fysikk for så å bygge strukturene større og mer kompliserte, eller ovenfra, ved å ta utgangspunkt i klassiske, makroskopiske modeller, men med tillegg av kvante-effekter og andre brudd på makroskopisk naturvitenskap.

Feltet er av natur tverrfaglig og betegnelsen nanoteknologi brukes, til dels med ulik betydning, i fysikk, kjemi, biologi, medisin og materialvitenskap. Disse feltene har alle hver for seg over lengre tid drevet med forskning og anvendelser på nano-nivå, det nye de siste årene er å samle alt nano-relatert i ett begrep på tvers av fag-grenser. Nytt er også en dreining av fokus fra grunnforskning til anvendelser. Fysikkbiten av nanoteknologien kalles også mesoskopisk fysikk.

Grunnen til den senere tids fokus på nanoteknologi er anvendelsene: mange eksisterende teknologier må føres ned på nanonivå for å kunne bli bedre, samtidig som det finnes et stort antall helt nye typer anvendelser.

Det finnes flere eksempler på nanoteknologi som er i bruk i dag:

Innen elektronikken har man til nå operert på mikronivå (det vil si over 100 nm), men i kampen for å gjøre komponentene raskere og strukturene mindre må man gå over til nanonivå. De nyeste prosessorene opererer for eksempel på 32 nm, noe som gjør dem til nanoteknologi.
Genteknologien innen biologi og medisin, som er et felt i voldsom vekst, opererer naturlig på nanonivå.
Kjemien og materialvitenskapen har i lengre tid vært i stand til å designe stoffer og strukturer nærmest atom for atom og molekyl for molekyl. Det nye nå er at teknikkene er blitt bedre og strukturene som kan lages større og mer kompliserte.

Hva som finnes på nanonivå

Grunnen til at nanonivået er så interessant er at mange strukturer i naturen er nettopp i denne størrelsesorden:

Enkeltatomer, 0.1 nm.
Bølgelengden til synlig lys, 400-750 nm.
Virus, mellom 20 og 400 nm.
Cellekjerner og andre organeller. En celle i menneskekroppen er normalt på 10 – 100 µm, dvs. 10000 – 100000 nm, som er langt over nanonivå, men organcellene er på nanonivå.
Domener og domenegrenser for krystaller og andre strukturer. Generelt er grensesnitt og kvanteffekter viktig i nanoteknologi.

I tillegg finnes fenomener og konstruksjoner som opptrer bare på nanonivå:

Anvendelser av nanoteknologi

Frem til 2040 har en forventninger til nanomaterialer og at eksisterende materialer kan få nye og forbedrede egenskaper. Nanomateriale brukes til en rekke formål som katalysatorer, filtre, halvledere og i medisin. Grafen er et nanomateriale som bare er ett karbonatom tykt og som har svært stor styrke, leder varme og elektrisitet svært godt. En ser for seg mange fremtidige bruksområder, men produksjonen er svært utfordrende. Bruksområder er blant annet oppladdbare batterier, bildeler, kondensatorer og annen elektronikk.^[1]

En ser også for seg nye problemer, som ofte oppstår med nye løsninger. Spesielt er en bekymret for helseutfordringer med nanomaterialer, enten fordi de kan ha uønsket interaksjon med levende molekyler eller på grunn av gift. Utvinning av store mengder litium for bilbatterier og senere kassering av disse, kan bety mulige miljøskader. En mulig masseproduksjon av nedbrytbare plastprodukter vil bety at landarealer som ellers kunne vært brukt til matproduksjon, blir brukt til planter til plast.^[1]

Anvendelser i fysikken

Anvendelsen i fysikken går i hovedsak på fire ting: elektronikk, magnetisme, optoelektronikk og mekanikk.

Datamaskiner og annen elektronikk. For å bli raskere og bruke mindre strøm må transistorene i de integrerte kretsene bli mindre
Sensorer, for eksempel optiske sensorer eller trykksensorer
Solcellepaneler
Stoff som kan endre optiske egenskaper, for eksempel skjermer som beholder bildet også etter at strømmen er slått av
Nanostrukturer som forsterker mekaniske egenskaper, for eksempel karbonnanorør
Nanomagneter
Kvantedatamaskiner

Anvendelser i kjemien

I kjemien er fokus på design av nye typer materialer og på økt produktivitet i kjemiske reaksjoner.

Raskere kjemiske reaksjoner, pga. økt reaksjonsoverflate.
Nye stoffer med bedre mekaniske egenskaper, for eksempel polymerer og karbonnanorør.
Krystaller med nanostrukturer som vert for kjemiske reaksjoner.
Krystaller med nanostrukturer til lagring av for eksempel hydrogen.
Gass-sensorer.

Dette er nanoteknologi.

Anvendelser i medisin

Medisin tenkes å gjøre utstrakt bruk av teknologi fra biologi, kjemi og fysikk. Fra biologien kommer

genteknologi

Bidragene fra fysikk og kjemi kan deles i to grupper: anvendelser i og utenfor kroppen. Bruk av nanoteknologi utenfor kroppen vil bli viktigst i først omgang.

Anvendelser utenfor kroppen:

Bedre og raskere kjemisk medisinproduksjon
Raskere datamaskiner til diagnostisering i for eksempel MR
Separering av stoffer på nanonivå til diagnostisering
Nøyaktige sensorer utfor kroppen, for eksempel av hjertets magnetfelt

Anvendelser i kroppen:

Mindre sensorer som kan trenge inn uten å gjøre skade
Medisin eller sporstoff som kan trenge inn i de minste blodårene eller inn i celler

Referanser

^ ^a ^b Smil 2014, 6.3.

Litteratur

Smil, Vaclav (2014). Making the modern world – Materials and Dematerialization (på engelsk). Wiley. ISBN 978-1-119-94253-5.

Eksterne lenker

Norske sider:

Forskningspolitikk om nanoteknologi

Norges forsknings og utviklingsstrategi for nanoteknologi 2012–2021

Andre

Atomer i arbeid - multimedia fra forskning.no 27.10.04
Nanoskopet - multimedia fra forskning.no 27.10.04
Ta på deg framtida - artikkel fra forskning.no 22.4.11

[FOOTNOTESmil20146.3-1] Smil 2014, 6.3.

[1]