Nanoteknologi handler om fremstillingen av materialer og strukturer, som har en dimensjon fra 0.1 nanometer til 100 nanometer - dette kalles også for nanoskalaen.

Alt stoff i hele universet er bygget av atomer.
Det bord vi sitter ved, den dør vi banker på, den kaffe vi drikker, ja selv planetene og galaksene består av atomer. De er stoffets minste bestanddeler, så små, at de ikke kan ses av det menneskelige øye, og umulige å ta fat i med våre store, klossede hender. Inntil slutten av 50årene visste man ikke, hvordan atomene så ut, og mange tvilte også på, at man noensinne ville komme til å kunne se dem. Og man hadde absolutt ikke trodd, at det en dag skulle bli mulig å flytte rundt med de enkelte små byggesteinene. Men det er den retning nanoteknologien beveger sig i, henimot det tidspunkt, hvor man kan bygge nye materialer, atom for atom, molekyl for molekyl.

Nanoteknologien handler om å kunne styre verden helt ned på det atomare nivå, på det som kalles nanoskalaen. Om å kunne fremstille materialer og strukturer, hvor man med atomar presisjon bestemmer, hvor atomene eller de forskjellige lag av atomer skal sitte. Og man gjør det for å få nye funksjoner i materialene, funksjoner som man ikke kan oppnå på noen annen måte.

Nanoteknologien kalles for det 21. århundrets teknologi, og visjonene om, at mennesket i fremtiden kan gjøre seg fri fra de kjente strukturer for selv å kunne bestemme et ønsket materials funksjoner, har også gitt fantasien ny næring. De mest spekulative og science fiction orienterte forskere sparer ikke på de spektakulære uttalelser om, hva nanoteknologien kan føre med seg. Smarte materialer med nye intelligente funksjoner, som vil gjøre allting lettere og annerledes. Små maskiner, som kan sendes inn i menneskekroppen og helbrede kreft eller gjenopplive de døde ved å reparere deres ødelagte celler. "Think-maker" maskiner, hvor man bare forteller maskinen, hva man vil ha ut i den andre enden, og ut kommer den ønskede nye CD-spilleren eller - mer trivielt - middagsmaten fiks og ferdig. Slutt på forurensing og matmangel. Problemene med overbefolkning løses ved kolonisering av planeter og måner, og transporten dit ut klares ved hjelp av store elevatortårn, oppbygget av samme stoff som diamant. Flygemaskiner laget av materialer, som kan reparere seg selv. Disse forskere mener, at konsekvensen av nanoteknologien vil være en helt anderledes verden, en den vi kjenner i dag. Det er science fiction, men uttalesene gir næring til drømmene, og hjelper os til å se og forstå perspektivene i den grunnforskning, som nu foregår på et mer jordnært plan. Nanoteknologien opptar forskere verden over, både fysikere, kjemikere, biokjemikere, biologer og ingeniører. Det er ikke én teknologi forbeholdt en enkelt disiplin innen for den naturvitenskapelige forskning, det er en felles betegnelse for de forskjellige forskningsområder, som arbeider på nanoskalaen.

Nanoskalaen

Hvor liten er en nanometer?

Nano betyr dverg på gresk, og det brukes som prefiks i metersystemet likesom giga, mega, kilo, milli og mikro. En nanometer er en milliardedel av en meter. Eller sagt på en anden måte: 1 x 10 -9 meter.

Diameteret på et menneskehår er cirka 80 mikrometer. En nanometer er 80.000 ganger mindre. Men det er ti ganger større en diameteret av det minste atom, brinkatomet.

Vi skal helt op i størrelsesordenen 20.000 nanometer, før det menneskelige øye kan se det vi snakker om.

Atomene innenfor syndsvidde…

Atomene er så små, at vi ikke kan se de enkelte av dem. Vi kan først se dem, når de er mange nok, så mange, at vi kan kalle det for stoff. Inntil 1982 var forskerne henvist til å gjøre seg sine egne forestillinger om, hvordan atomene ser ut. En svær øvelse, for det var matematiske modeller av kvantemekanikken, som skulle visualiseres. Kvantemekanikken er den teori, som fysikere siden 30årene har utviklet til å kunne forklare, hva atomene består av, og hvilke fundamentale krefter, som holder dem sammen, og virker i naturen.

… Og innenfor rekkevidde

Oppfinnelsen av Skanning Tunnel Mikroskopet var en sensasjon i seg selv. I 1990 kom den neste. Forskerne hadde lenge forsøkt å utvide bruken av mikroskopet til også å kunne "ta fat i" og flytte rundt med de enkelte atomer. En av dem, som utnyttede STM på den måten, var Don Eigler fra IBM i Almadeen i USA. I 1990 lyktedes det ham å flytte rundt på 35 xenon atomer på en overflate, sånn at de kom til å danne forbokstavene i navnet på hans firma. Nu er det etterhånden blitt rutine å eksperimentere med å flytte rundt med atomene og manipulere med dem. Utviklingen går hurtig, men det er ennå langt fra å være en teknologi, som kan anvendes i større målestokk

Ovenfra og ned
eller nedefra og op.

"There is plenty of room at the bottom"

Før nanoteknologien overhodet fikk sitt navn, var hele utviklingen av Skanning Tunnel Mikroskopene blitt forutsett av en amerikansk fysiker og nobelprismottager, Richard Feynman. I 1959 holdt han en tale, som han kalte "There is plenty of room at the bottom" - en visjonær og tankeprovoserende tale, hvis forutsigelser siden har vist seg å holde stikk. I talen spurte han, hvorfor man ikke forminskede Encyclopedia Britannica 25.000 ganger, så hele verket på 24 bind kunne stå på et knappenålshode. Han argumenterte med, at vi jo ikke har problemer med å tenke, at vi kan forstørre et knappenålshode 25 tusen ganger, og det hadde han regnet seg frem til ville fylle like så mye som sidene i encyclopedien. Hvorfor skulle det så ikke være mulig å tenke det omvendte - at man foretog en tilsvarende forminskelse?

Her ved overgangen mellom det 20. og 21. århundre er talen kanskje ikke så tankevekkende, som den var den gang, men den blev holdt på et tidspunkt, hvor det integrerende kretsløp akkurat var blitt oppfunnet, og hvor de hurtige Pc’ene var mange år ut i fremtiden.

Hvis man tog Feynman på ordet og utsatte bokstaverne i encyclopedien for en sådan krympeprosess, så ville hver bokstav bli cirka 8 nanometer stort. Det svarer til 0,000000008 meter, og han fortsatte sitt tankeeksperiment og regnet ut, at hele verdens informasjon i bøker, blader og aviser kunne være i en fyrstikkeske. Han påpekte, at der ikke var noe i fysikkens lov, som forhindrede det. Hvordan det så i praksis skulle la seg gjøre var en annen sak, og det var først med utviklingen av Skanning Tunnel Mikroskopene og Don Eiglers forsøk i 1990, at Feynmans visjoner om både å kunne se og manipulere med atomene blev til virkelighet.

"Bottom up - Top down"

Stoffenes forskjellighet avhenger av, hvordan atomene er arrangert i forhold til hverandre. Grafitt og diamant er laget av samme grunnstoff, men atomene er arrangert forskjellig, og det gir grafitt og diamant forskjellige egenskaper.

Nanoteknologi sikter mot å kunne bygge opp nye materialer, atom for atom. Hvis vi kan lære å styre denne prosessen, vil det være en ultimativ produksjonsform. Vi ville på forhånd kunne regne ut, hvilke egenskaper vi ønsker oss, og siden arrangere atomene, så materialet får nettopp de egenskaper.

Fysikerne og kjemikerne angriper dette problem forskjellig. Der er to måter, man kan komme i nærheten av nanoskalaen: man kan, som Feynman sa, starte ovenfra med noe stort og gjøre det mindre og mindre, eller man kan ta noe, som er meget smått, og gjøre det større. Når fysikerne forsøker å gjøre computerens chips mindre, gjør de det ved å ta en stor silisiumklosse og etse de uønskede deler vekk. Som en billedhugger, som begynner med en stor sten og hakker alt det overflødige materiale vekk med hammer og meisel. Fysikerne arbeider ovenfra og ned.

Kjemikerne derimot arbeider nedefra og opp. De starter med enkelte molekyler, som de setter sammen til større strukturer, såkalte supramolekylære systemer. 

Kjemikerne benytter seg av et prinsipp, som kalles selvorganisering. Prinsippet finnes overalt i naturen. Det er for eksempel det, som er i funksjon, når proteinene blir dannet inne i cellene, eller når det dannes iskristaller på ruten. Det er i begge tilfeller prosesser, som forløper av seg selv. Likeså når olje og vann skiller seg ut fra hverandre vist man holder dem sammen. Det skjer spontant på grunn av de 'vannhatende' og 'vannelskende' molekylegrupper som er i stoffene.

Der er flere forskere, som forsøker å anvende og kontrollere prinsippet om selvorganisering til å arbeide seg nedefra og opp i oppbygningen av nye strukturer. Det betyr for kjemikerne, at de "bare" skal helle de riktige stoffer sammen, så vil de av seg selv spontant danne - for eksempel - en kjemisk ledning.

Den  konkrete anvendelse av nanoteknologien

Mindre og hurtigere chips i computeren

Hvis den nåværende tendens til, at computerchips blir dobbelt så raske hvert annet år, fortsetter, kan man forutse, at man innen for de neste 10-15 år ikke kan komme lengre ned i størrelse med den nåværende litografiske teknikk.

Innenfor elektronikkindustrien forsker man derfor i alternativer til den tradisjonelle silisiumchip, og som allerede har vært tale om, kvantecomputere, transistorer baserte på kunstig DNA eller oppbygget av den tredje modifikasjon av kullstoff, som heter Karbon 60.

Den elektroniske industri er den største industri i verden i dag. Kravene om konstant å gjøre chipsene i de elektroniske komponenter både mindre og hurtigere har medvirket til å gjøre den til en vesentlig faktor i den nanoteknologiske utvikling.  

Sensorer - verdens minste laboratorium

Sensorer er små enheter, som kan reagere spesifikt på ganske små mengder av en bestemt type stoff, på temperaturendringer eller på forskjellige former for elektromagnetisk stråling. Vi kjenner prinsippet fra våre egne sanser: synet, luktesansen, smakssansen, følesansen. Vårt immunforsvar er også et eksempel på de naturlige sensorer, som er kjennetegnet ved, at de øyeblikkelig reagerer på påvirkninger utenfra.

Innenfor biokjemien forsøker man å etterligne de naturlige sensorer. Man satser for eksempel på å utvikle kjemiske sensorer, som reagerer på et bestemt antistoff, som kun forekommer ved bestemte sykdommer.  En bloddråpe vil være nok til lynraskt å avgjøre, om man har en bestemt sykdom eller ei. Hvis man pakker tilstrekkelig mange sensorer sammen på en enkelt chip, har man, hva som svarer til et helt laboratorium, men det vil ikke fylle mer enn en norsk 20 kroners mynt!   Pasientene vil  ikke være avhengige av de analysemetoder, som man benytter på de medisinske laboratorier i dag. De er, sett i forhold til de perspektiver nanoteknologien åpner opp for, både besværlige og langtrukne.

Nanoteknologiske produksjonsformer

Nanoteknologien skaper muligheter for en langt mer rasjonell produksjonsform, hvor mengden av miljøfarlig avfald er forminsket til nesten ingenting. Hvis man kan bruke teknologien til å fremstille presis det man har bruk for - og intet annet - vil man kunne oppnå et relativt større utbytte i forhold til de ressurser, man bruker i produksjonen. Men miljøaspektet er vesentlig på mer enn en måte. Det handler ikke kun om å forurense mindre, når man i fremtiden producerer materialer på nye måter. Det handler også om på kortere sikt å forminske eller helt unngå den forurensing, som er resultatet av de nåværende produksjonsprosesser.

Og det lyder jo godt ved overgangen til det 21. århundre, hvor miljøproblemene er rykket høyt opp på den politiske dagsorden. Inntil videre er det ikke grunn til å holde festtaler i den anledning: miljøperspektivet er ennå ikke noe, som i særlig høy grad driver frem forskningen på det nanoteknologiske felt.

En ung vitenskap

Forskning på tvers

Forskerne skiller mellom det, de kaller "nanoscience" og så den konkrete nanoteknologi. Nanoscience er ren grunnvitenskapelig forskning, mens nanoteknologi er en mer anvendelsesorientert forskning. Resultatene av det siste er ennå begrenset, nokk så vesentlig er imidlertid den meget store viten, som den bidrar med.

Nanovidenskapen bygger broer mellom de velkjente oppdelinger mellom fagområdene innen for det naturvitenskapelige området. På nanoskalaen blir grensene mellom fysikere, kjemikere, biokjemikere og biologer brudd ned, og forskerne vil i langt høyere grad enn tidligere oppleve, at de har bruk for å kjenne hverandres resultater i den videre forskning. Mange av områdene overlapper  hverandre, og derfor vil forskningsprosjektene ofte være tverrfaglige.

Men utover at man nu begynner å se på tvers av de tradisjonelle oppdelingene innen for naturvitenskapen, trenger der seg også andre spørsmål på, som ellers ville ha vært blitt henvist til det humanistiske område.

Etiske spørsmål

Tilsvarende med genteknologien reiser der seg nemlig en rekke etiske spørsmål i forbindelse med nanoteknologien. Begge teknologier er stadig så unge, at man kun kan gjette om, hva de kan utvikles og brukes til. Et perspektiv på utviklingen av de tidligere omtalte sensorer er, at man hjemme ved kjøkkenbordet kan teste seg selv for arvelige sykdommer. Anlegg for å utvikle kreft, for eksempel. I dansk sammenheng foregår utviklingen av sensorene blant forskere på Danmarks Tekniske Universitet. Anvendelsesmulighetene rekker langt inn på det biologiske og medisinske området, og perspektivet er som sagt, at vi selv blir utstyrt med muligheten for å stille vår egen diagnose. Men hvor går grensen mellom det mulige og det ønskverdige?

Kilde: Sciencesite.dtu.dk