Hvad er nanoteknologi?

Publiceret Oktober 2004

Nanoteknologi er ordet man stadigt oftere støder på i uddannelserne, i medierne, i videnskaben og i den offentlige diskussion. Københavns Universitet og Århus Universitet har da også for nylig oprettet nano-science centre og nano-uddannelser, så vi snart vil se de første kandidater med titlen cand. scient. nano. Forskere som tidligere ville have betegnelser som faststoffysikere eller syntesekemikere, er nu blevet nano-forskere; nano er nemlig blevet et rigtig populært buzz-præfix.

Det er imidlertid ofte uklart, hvilken betydning nanoteknologi tillægges, og der er en tendens til at alle forsøger at få deres arbejde ind under denne betegnelse. Men hvad dækker ordene egentligt over? Og hvad skyldes den store interesse? I det følgende vil jeg, som nano-fysiker, give mit bud på, hvad det hele handler om, og hvorfor vi netop nu oplever så stor opmærksomhed om emnet.

Hvad er nano?

Nano betyder direkte oversat en milliardedel af en enhed. Inden for nanoteknologien er det underforstået, at det er længdeenheden meter der menes. Nanoteknologi  betegner derfor teknologier, hvor der indgår elementer med størrelser omkring en milliardedel af en meter – dvs. en nanometer. Man siger også, at der er tale om teknologier, hvor der arbejdes på nanoskala. Som det vil fremgå senere, er der dog behov for en mere præcis definition af begrebet.

Da nanoskalaen ligger meget langt fra den verden, vi kan se og føle, kan vi kun få en fornemmelse af, hvad en nanometer er ved at henvise til eksempler på relative størrelsesforhold. En nanometer er fx ca. 100.000 gange mindre end diameteren på et menneskehår. Eller sagt på en anden måde: Hvis vi formindsker den menneskelige skala (meter) med en faktor 1000, ender vi ved bananfluen (millimeter). Yderligere en faktor 1000 bringer os til bakterier (mikrometer), som vi stadig kan se i et almindeligt lysmikroskop og som vi derfor kan have et vist intuitivt forhold til. Efter endnu en faktor 1000 bliver det vanskeligere, da vi havner ved molekyler (nanoskala), som ikke længere kan nås med almindelige mikroskoper. Nu er vi på så fin skala, at yderligere en faktor 10 bringer os helt ned til enkelte atomer.

Både mennesket, bananfluen og bakterien lever i en verden, som kan beskrives vha. lovene fra den klassiske fysisk. Derimod bringer springet til nanoverdenen os ud til grænsen for de klassiske loves rækkevidde, hvor de kvantemekaniske love, som benyttes til at beskrive den atomare verden, træder i stedet. Dette er en af grundene til, at nanoverdenen er så stor en udfordring både intellektuelt og teknologisk.

Ny og gammel nano

Historisk set er det ikke et nyt fænomen at forskere beskæftiger sig med nanoskalaen. Allerede Einstein udregnede i sin doktordisputats i 1906 størrelsen af et sukkermolekyle ud fra studier af dets diffusion i vand. Han kom frem til, at et sukkermolekyle var omkring en nanometer stort.

På den teknologiske front har man ligeledes siden begyndelsen af 1900-tallet udnyttet fx de fordelagtige egenskaber ved kulstof-nanopartikler til at forstærke bildæk – man har blot ikke betegnet det som nanoteknologi.

Al kemi kan i virkeligheden betegnes nano, da de fleste molekylære processer i virkeligheden foregår på nanoskala. Og vil man være virkelig pedantisk er det også nanoteknologi at bygge en Øresundsbro; der skal nemlig manipuleres med rigtig mange nano-enheder. Men af indlysende grunde er det ikke disse gamle former for nanoteknologi, som skaber så stor interesse og furore i disse år. Der må nødvendigvis forstås noget andet og mere ved betegnelsen nanoteknologi end blot teknologi på nanoskala. Det er dette andet og mere, der ikke er enighed om, hvad er. En mulig præcisering går ud på, at nanoforskning kan betegnes som studier af systemer med mindst én dimension på nanoskala (1-100 nanometer), hvorover der kan udøves kontrol og monitorering. Nanoteknologi er så teknologisk udnyttelse af den viden, der herved opnås. For eksempel er studiet af en kemisk reaktion mellem to væsker ikke nanoforskning, hvis man betragter 100 ml af hvert stof – selvom reaktionen foregår på nanoskala. Det er det tilgengæld hvis reaktionen direkte undersøges mellem ét molekyle af det ene stof og ét molekyle af det andet. Det gør ikke nødvendigvis reaktionen mellem 100 ml af hvert stof mindre interessant, men det kan blot ikke betegnes nano.

Et vigtigt træk ved nanoforskning og nanoteknologi er, at nok er det naturvidenskab, men det er ikke fag-specifikt. Metoder, der traditionelt hører hjemme inden for fysik, kemi og biologi med hver deres muligheder og begrænsninger, udnyttes sammen for at opnå den bedst mulige forståelse og kontrol over nanoverdenen. En del af forvirringen omkring feltet skyldes, at forskere med forskellig baggrund, indgangsvinkel, referenceramme og terminologi arbejder inden for området. Men det er samtidig en del af pointen med nano-centrene ved landets universiteter, netop at stimulere tværfaglige gennembrud ved at bringe forskerne under samme tag for at øge samarbejdet.

Hvorfor netop nu?

Det er kontrollen over nanoskalaen og det enkelte molekyle, som adskiller den nye nanoteknologi fra den tidligere, og som skaber de store potentielle anvendelsesmuligheder. Men der findes en tidlig forløber for gennembrudet. Ved The American Physical Societys årsmøde i 1959 holdt den legendariske fysiker og senere nobelprismodtager Richard Feynmann et foredrag med titlen ”There is plenty of room at the bottom”. I foredraget spekulerede han over mulighederne ved at kunne manipulere stof på nanoskala. Feynmann diskuterede fx det nyttige i at forbedre elektronmikroskopet så den atomare skala kunne ”ses”. Han overvejede mulighederne for at gemme enorme mængder af information på ganske lidt plads, fx. at samle alle verdens bøger i en terning med sidelængder på omkring 0,1 millimeter. Desuden overvejede han perspektiverne ved udviklingen af nano-maskiner som kan manipulere med stof på atomskala – en ide som senere er blevet taget op af mange, både videnskabsfolk og science-fiction forfattere. Endelig forudsagde han computerindustriens udvikling, i retning mod stadigt kraftigere processorer, som i så høj grad har præget vores hverdag de sidste 15 år. Selvom det var mange år før det var teknologisk muligt at nærme sig denne skala forudsagde Feynmann ikke desto mindre med forbløffende stor præcision dele af den efterfølgende udvikling, og han inspirerede forskersamfundet til at forsøge at realisere nogle af forudsigelserne.

Specielt computerudviklingen er en vigtig årsag til, at nanoteknologi er kommet på dagsordenen netop nu. Computerchips består essentielt af transistorer som styrer elektroniske signaler, og behovet for mere computerkraft kræver flere og hurtigere transistorer på det samme areal. Og dette behov har været en af de stærkeste drivkrafter bag udviklingen af stadigt bedre mikroskoper og andet udstyr til manipulation af mindre og mindre bestanddele. I dag kan transistorer laves kommercielt med strukturer helt ned til 90 nanometer, og man kan producere chips med mere end en halv milliard transistorer på mindre end en kvadratcentimeter. Der er imidlertid visse fundamentale problemer ved fremstillingsmetoderne brugt inden for siliciumbaseret elektronik, og i løbet af de næste 10-20 år vil det ikke længere være muligt eller rentabelt at forfine de eksisterende teknikker. Der er derfor stor interesse for alternativer, og disse må nødvendigvis findes indenfor nanoteknologien. De fleste store computerfabrikanter har forskningsafdelinger der arbejder med forskellige aspekter inden for nanoteknologien – fx transistorer bestående af enkelte molekyler. For at give et indtryk af satsningen på området kan det nævnes at Intels samlede årlige forskningsbudget (dog ikke kun nanoteknologi), er på over 150 milliarder kr.

En anden vigtig årsag til at vi ser udforskningen af nanoteknologi blomstre netop nu er udviklingen af såkaldte skanning-probe teknikker, som gør det muligt for forskere at undersøge og manipulere med enkelte molekyler og atomer. Teknikkerne udnytter i hovedtræk muligheden for at bevæge en meget fin metal-spids med sub-nanometer præcision (mindre end en nanometer) hen over overfladen på det objekt, man ønsker at studere. Ved at måle vekselvirkningen mellem spidsen og objektet kan man få et billede af overfladens topografi med atomar opløsning og samtidig få information om objektets egenskaber. Manipulationen kan fx foregå ved, at metalspidsen benyttes til at skubbe enkelte atomer eller molekyler rundt på overfladen. Skanning-probe teknikkerne udgør netop det element af nano-kontrol, som manglede i den ”gamle” nanoteknologi.

En tredje grund til den øgede interesse for nanoteknologi er, at emnet inden for de seneste år er blevet opprioriteret fra politisk side ved fordeling af forskningsmidler. Det er sket i Danmark og i den øvrige verden. Opprioriteringen kan begrundes med de store potentielle muligheder for resultater af både fundamental videnskabelig karakter og i form af vigtige kommercielle produkter. Mediernes særlige interesse for denne satsning skyldes formentlig, at nanoteknologi appellerer til den bredere befolkning pga. science-fictionbøger og –film, som beskæftiger sig med et fremtidssamfund, hvor mennesket har fuld kontrol over nanoverdenen. Forestillinger om nanorobotter som kan bevæge sig rundt i kroppen og fjerne blodpropper, eller selv-kopierende nanofabrikker som løber løbsk og forvandler al stof på kloden til - selv-kopierende nanofabrikker - er gode historier der skaber en interesse for nanoteknologi også uden for faglige kredse. Selvom mange af disse forestillinger er helt urealistiske, eller i bedste fald ligger meget langt ude i fremtiden, og derfor tegner et fordrejet billede af hvad nanoteknologi er i dag, har de bestemt en del af æren for den højstatus feltet har opnået. Dertil kommer, at emnets aktualitet og status har inspireret unge – mig selv inklusive – til at forfølge en karriere i den retning. Derfor bør man også tage de anti-nano organisationer, som er opstået i USA i kølvandet på nanobølgen, seriøst, så den folkelige opbakning ikke pludselig ændrer sig 180 grader til hårhændet modstand pga. helt usaglige skræmmescenarier. Her er en klar parrallel til udviklingen inden for genteknologi.

Reelle muligheder eller ren science-fiction?

På nuværende tidspunkt er det meste nanoteknologi i virkeligheden nano-grundforskning, som måske eller måske ikke vil udmynte sig i nyttige produkter inden for de næste 20 år. Perspektivet på den teknologiske front rækker langt ud over muligheden for at løse computerindustriens problemer: Nye materialer med hidtil usete egenskaber, fleksibel elektronik, langt mere effektive katalysatorer, metoder til brint-opbevaring, super effektive solceller og brændselsceller, hvoraf de sidsnævnte teknologier bliver vigtigere og vigtigere, efterhånden som klodens oliereserver slipper op, og alternativer skal findes. Også avancerede medicinske behandlingsformer, hvor medikamenter kan fordeles i kroppen ved hjælp af nanopakker, som kan udløse deres indhold når de når deres forudbestemte mål, er på tegnebrættet, og der er helt sikkert yderligere anvendelsesmuligheder som vi endnu ikke har fantasi til at forestille os.

Men ikke al nanoteknologi ligger 20 år ude i fremtiden. Allerede nu er der kommercielle produkter på markedet, som er fremstillet på baggrund af den nye viden om nanoskalaen. Der er for eksempel udnyttelsen af det store overfladeareal af zeolit-krystallers sub-nanometer porer til at forbedre katalysatorer. Eller udnyttelsen af nanokrystallers særlige optiske egenskaber til fremstilling af solcreme, som stopper ultraviolet og infrarød stråling, men som er gennemskinnelig overfor synligt lys og derfor fremstår klar fremfor hvid som traditionel solcreme. Også den enorme datatæthed på en harddisk kan tilskrives  nanoteknologi, da den skyldes læsehovedets ringe størrelse og samtidig enorme følsomhed for diskens magnetfelt. Læsehovedet er opbygget som en sandwich af forskellige materialer, og det er afgørende at tykkelsen af lagene kan kontrolleres og kun er få nanometer.

Generelt kan man sige, at de store perspektiver inden for den anvendelsesmæssige del af nanoteknologi dels skyldes at nano-produkter, simpelthen fordi de er mindre, kan blive hurtigere, mere følsomme, mere effektive, mere præcise og selvfølgelig mindre end konventionelle produkter, dels at det i visse tilfælde er muligt at udnytte effekter ved kvanteverdenen, som slet ikke kunne lade sig gøre på større skala. Forskningsmæssigt er nanoskalaen et attraktivt område idet vi kun ved ganske lidt om opførslen på enkeltmolekyleniveau, og muligheden for fundamentale opdagelser ligger forude. Så selvom nano blot er en samlende betegnelse for en lang række forskningsfelter og teknikker som i mange tilfælde har eksisteret længe, er der god grund til interessen: Teknikkerne og forskningen er nemlig kommet til et punkt hvor kontrollen over nanoverdenen åbner for et væld af nye opdagelser.