Videnskaben bag nanoteknologien

old.ecocouncil.dk

Videnskaben bag nanoteknologien

EKSEMPEL 1

TEMA ‘NANO‘ – EN TEKNOLOGISK TSUNAMI

Katalysatorer

8 | GLOBAL ØKOLOGI | MAJ 2007

Hvad er nano – og hvad kan det bruges til? Det er blevet almindeligt

at tale om nanovidenskab og nanoteknologi, men de færreste ved,

hvad der menes med ordene. Ved du, at hvis man kunne skrive med

nanobogstaver ville et enkelt stykke A4 papir kunne rumme indholdet

af alle verdens bøger?

Nanopartiklers specielle egenskab til at fremme andre

reaktioner bruges i katalysatorer, hvor ny viden har væ-

ret en vigtig triumf for nanovidenskaben: Forståelsen af

katalyseprocesser på atomart niveau har ført til nye og

bedre katalysatorer. Danmark er helt i front når det gæl-

der udviklingen af katalystorer.

Læs mere om firmaet Haldor Topsøe A/S på: www. top-

soe.com/

Fotos: iNano

Foto: Stefan Redel

Foto: Blackred

Katalysatorer bruges bl.a. til

at fjerne miljøskadelige udstødningsgasser

fra biler, t.v.

Nederst: Nærbilleder af afsvovlingskatalysatorer.

Nanoteknologi øger forståelsen

af stoffers opbygning, her

molybdændisulfid (MoS2)-

nanopartikler. De bruges til at

fjerne svovl fra udstødningen.

Viden om hvordan svovl fjernes,

kan effektivisere processerne

yderligere i fremtiden.


Af professor Flemming Besenbacher, ph.d. Lone

Bech, videnskabelig koordinator Signe Osbahr,

iNANO, Aarhus Universitet

Nano betyder 10 -9 , og en nanometer (nm)

er 10 -9 m, eller en milliardtedel af en meter.

Det svarer til tykkelsen af et hår, man har

delt 80.000 gange på langs! Det er særdeles

praktisk at bruge en målestok, der svarer til

størrelsen af det, man måler, og da et atom

blot er 0,2-0,5 nm i diameter, fandt ‘nano’

vej ind i sproget samtidig med, at det blev

muligt at måle på enkelte atomer. ’Nano’

bruges i dag til at beskrive fænomener og

objekter, som er fra 0,1-100 nm. Dette inkluderer

ikke blot atomer, men også endog

meget store molekyler med tusinder af atomer,

fx biologiske makromolekyler.

Det er ganske overvældende, hvor meget

af det, der skaber liv og bevægelse omkring

os, der begynder med fænomener på nanoskalaen.

Overflader, celler, dna, fotosyntese,

atomer, kemiske reaktioner, farvespillet på

en sommerfugls vinge og fremtidens computerchips

– alt afhænger af, hvad der sker på

nanoskalaen, og med de sidste 20 års revolution

inden for mikroskopi kan vi nu se det

hele ske – helt ned til det enkelte atom. Med

et elektronmikroskop kan vi studere indholdet

af kroppens celler og store molekyler

som dna, mens atomerne og de små molekyler

kan undersøges med skanning probe

mikroskoper.

EKSEMPEL 2

Solceller – billige med nanoteknologi

Traditionelt fremstilles solceller af silicium, men ener-

giforbruget til produktionen er meget høj. I stedet kan

titandioxid bruges, det er billigere, men absorberer ikke

solens lys lige så godt. Inspireret af planternes evne til

at tappe solens energi vha. farvestoffet klorofyl fandt

forskere ud af at modificere titandioxid til at optage næ-

sten 100 procent af solens lys. Ved hjælp af nanotekno-

logi laves en stor overfladestruktur, der består af mange

små lag af titandioxidpartikler, som har plads til flere

farvestofmolekyler og derfor kan optage mere sollys.

Afstanden mellem atomerne i en overflade

er – afhængigt af materialet – ca. 0,5 nm.

Hvis man kunne skrive med nanometer høje

og brede bogstaver, ville man på enden af

en knappenål være i stand til at skrive teksten

fra 25 eksemplarer af Den Store Danske

Encyklopædi. Et enkelt stykke A4 papir

ville kunne rumme indholdet af alle verdens

bøger. Ud over at være en håndgribelig sammenligning

åbenbarer dette også ét eksempel

på, hvad vi kan bruge nanoteknologien

til. Tænk f.eks. på overfladen af en CD eller

en diskette, hvor informationerne er lagret

som mikrometer store ‘buler’ (bits). Hvis

vi kunne gøre hver bit 1000 gange mindre,

ville vi ende på nanometerskalaen, og en

nano-CD ville kunne rumme indholdet af

1.000.000 gammeldags CD’ere.

Atomer som byggeklodser

Helt afgørende for studiet og forskningen i

nanoteknologi er mulighederne for at manipulere

med verden på nanoskala. Med et

skanning probe mikroskop kan man ikke

blot afbilde de enkelte atomer og molekyler

på overflader, men også få dem til at flytte

sig kontrolleret. Foreløbig kan vi kun flytte

et enkelt atom ad gangen, men i princippet

vil det være muligt, at vi ad åre kan opbyg-

Fotos: iNano

ge et helt objekt atom for atom, præcis som

vi vil. Det betyder, at vi ikke længere vil være

bundet af, hvordan materialerne fysisk og

kemisk helst vil ordne sig, men at vi vil blive

i stand til at manipulere overfladerne på

måder, som giver dem helt nye egenskaber.

Rent praktisk vil vi kunne blande metaller

og halvledere på nye måder og skabe

overflader med helt nye egenskaber og

strukturer, og her sætter kun fantasien

grænser. Et eksempel på en ny og kunstigt

skabt overflade er små klynger af guldatomer,

der er lagt på en overflade. Det viser

sig, at mens guld almindeligvis er svært at få

til at reagere med noget, så er guld i meget

små klynger stærkt kemisk reaktivt. Den viden

har man kunnet udnytte i industrien til

at udvikle nye og bedre katalysatorer. Mere

end noget andet er det forskernes evne til at

skabe nanostrukturer med helt nye egenskaber,

der har skabt den eksplosive vækst

i interessen for nanoforskning.

Nanoobjekter kan også manipuleres med

andet end skanning probe mikroskoper,

f.eks. findes der flere fungerende prototyper

af nanopincetter, der ganske som fingre kan

gribe fat om meget små molekyler og flytte

dem. At få en nanopincet til at fungere

har været en formidabel udfordring, idet

Solceller på toppen af Harvard

Business School, t.v.

Nederst: Nanobilleder af titandioxid-overflader.

Billedet er

taget ved hjælp af et ’nanoskop’

– et instrument som er i

stand til vise og forstørre ting

og strukturer på atomart plan.

Titanium-atomerne er de gule.

Ilt-atomerne de røde.


naturen på nanoskalaen er helt anderledes

end den natur, vi kender og har et intuitivt

forhold til. Det er der flere årsager til: Dels

bliver kvantemekaniske fænomener mere og

mere markante, jo mindre objekter vi arbejder

med, og dels er det ikke længere tyngdekraften,

der er den styrende kraft, men

såkaldte kapillærkræfter, van der Waalskræfter

og elektrostatiske kræfter. Disse tre

dominerende kræfter medfører, at atomer

‘klistrer’ til hinanden, til nanopincetten og

til overfladen på nanoskala. Det svære er

derfor ikke at få fat i atomet eller molekylet,

men at slippe det igen.

Top-down eller bottom-up

To begreber, der ofte bruges inden for nanoteknologien

er top-down og bottom-up.

De dækker over to helt forskellige måder at

tænke nanoteknologi på. Top-down handler

om at formindske den teknologi, man har i

forvejen. Dvs. at gøre som man plejer, men

at gøre det på mindre plads.

Bottom-up bygger på en helt anden tankegang.

Her starter man simpelthen fra

bunden og planlægger at bygge nye strukturer

atom for atom. I bottom-up overvejer

man i langt højere grad, hvordan man kan

få de specielle forhold i nanoverden til at

arbejde for sig. I top-down er opgaven ofte

at finde en måde at undgå van der Waalskræfter

og lignende på, så de ikke forstyrrer

miniatureudgaverne.

Den traditionelle fysiske top-down metode

til fremstilling af objekter i nanoskalaen

EKSEMPEL 3

Diodelys også til planter

Lysdioder omdanner energi direkte til lys uden unødvendigt

varmetab. Med halvledere af organisk plast (OLED) er udsig-

terne enorme: plastlagene kan bøjes, kan laves i store area-

ler, og lyset ændre farve. På nano-niveau arbejder forskere

med at gøre plastlaget så tyndt som muligt, for at strømmen

kan løbe. Desuden forskes i at finde polymertyper (plast), der

kan skabe ultraviolet eller infrarødt lys. Gartnerier kan spare

millioner med diodelys. Amerikanske astronauter bruger dio-

delys til dyrkning af radiser i deres rumkapsler. Måske danske

radiser også i fremtiden kan dyrkes på denne måde.

Læs mere: http://www.dongenergy.dk/erhverv/kundeservice/Indsigt/lysterapi.htm.

10 | GLOBAL ØKOLOGI | MAJ 2007

består i at tage en blok af et materiale, og

derefter ætse de uønskede dele væk, så man

til sidst står tilbage med en meget mindre

blok, som nu har de ønskede proportioner

og egenskaber. Computerchips er fremstillet

på denne måde.

Kemikere arbejder typisk nedefra og op

(bottom-up). De starter med enkelte atomer

og molekyler, som de sætter sammen til

større strukturer, såkaldte makromolekylære

systemer. Med opfindelsen af værktøjer

til manipulering af enkelte molekyler er

fysikerne også kommet stærkt med på bottom-up

metoden.

”Et knappenålshoved kan

rumme teksten fra 25 eksemplarer

af Den Store Danske

Encyklopædi – hvis de var

skrevet med nanobogstaver”

For at danne bottom-up objekter benytter

nanoteknologer sig ofte af et princip,

der kaldes selvorganisering eller selvsamling.

Princippet findes på flere forskellige

længdeskalaer overalt i naturen og består i,

at bestemte enheder gerne vil sidde i et helt

bestemt forhold til hinanden og samle sig i

store velordnede strukturer. Tænk f.eks. på

kernerne i en grankogle (cm), iskrystallerne

Foto: Reelight

i snefnug (mm) og atomerne i krystalgitre

(nm), der alle samler sig helt perfekt efter et

system, som de bærer i sig selv.

En af de mest anvendte selvsamlingsmetoder

inden for nanoteknologi bygger på dna’s

trang til at organisere sig i dobbeltstrengede

strukturer. Her kobler man små molekyler

til enkeltstrenget dna, der herefter mikses.

dna’et vil hurtigt forme dobbeltstrengede

strukturer, hvorved de små molekyler bringes

i så tæt nærhed, at de kan reagere med

hinanden. Ved at gentage processen kan

man opbygge endog meget store molekyler.

Nanoobjekter som proteiner, dna og små

molekyler er i høj grad selvorganiserende,

og at kunne styre og udnytte dette princip

er et af de mest lovende områder inden for

nanoteknologien.

Nano i alting

Selv om kroppen er udsat både for fysik,

kemi, og biologi studeres de forskellige videnskaber

traditionelt hver for sig. En fysiker

ved ofte ikke andet om biologi, end

hvad han eller hun har lært på gymnasiet,

og de fleste biologer ville ikke bryde sig om

at skulle tale om kvantemekanik. Med nanoteknologi

er disse grænser ved at blive

ophævet. På nanoskalaen er f.eks. et protein

ren kemi og fysik, men uden en biologisk

forståelse af, hvad proteinet bruges til

i kroppen, er der ikke megen håb om at få

noget brugbart ud af at studere det.

For en fysiker eller kemiker vil nanoteknologi

i første omgang handle om at fremstille

Selvom lysdioden i diodelygter

er af farveløst plast,

kan lygten lyse rødt.

Elektrisk nanoledning lavet

af organiske polymer molekyler,

der er kemisk kodede

til at samle sig selv.


nye materialer eller stoffer, mens det for en

mere biologisk orienteret nanoforsker handler

om at betragte, forstå, efterligne og manipulere

naturen.

Fra en nanomediciners synspunkt er

det mulighederne for bedre behandlingsformer,

der lokker. Man kan drømme om

nanopartikler, som er i stand til at bevæge

sig rundt i kroppen og identificere, reparere

eller destruere syge celler. Lige for tiden

arbejder man meget med at fremstille kunstige

knogler, led og lemmer (implantater).

Et implantats succes afhænger af, hvor villig

kroppen er til at acceptere fremmedlegemet.

Det afhænger igen af nanoskopiske egenskaber

på overfladen af materialet, fordi det

er det, blodet og kroppens celler reagerer på

– altså et samspil på nanoskala. Ved at lave

en overflade, cellerne synes om, kan vi også

lave langt bedre implantater.

Mulighederne er enorme, men nanoteknologi

er svært, og der er ingen tvivl om,

at nanoteknologiens store triumfer stadig

ligger og venter på os 10-20 år fremme i tiden.

Interdisciplinært Nanoscience Center (iNANO)

arbejder med forskning, uddannelse og udvikling

indenfor nanoteknologi. Læs mere på:

www.inano.dk

EKSEMPEL 4

Brintteknologi

Fullerener er måske den mest velkendte

gruppe af nanopartikler og dækker over

hule kulstofmolekyler – kugler og rør op-

bygget af femkantede og sekskantede enhe-

der af kulstofatomer. Den første beskrevne

fulleren var ‘fodboldmolekylet‘ C-60 i 1985.

Siden har man fundet ud af at fremstille

større kuglekomplekser (f.eks. C-78 og C-84)

og lukkede rør (nano-tubes) bygget over

fullerene-strukturen.

Anvendelse: katalysatorer, pyrolyse, fillers

i f.eks. dæk og bygningsmaterialer og andre

tekniske materialer, smøremidler, solceller,

røntgendetektorer, elektrolytiske mem-

braner og protonudvekslings-membraner i

brændselsceller.

Et hydrogensamfund hvor biler kører på hydrogen (brint) kan

være en mulighed i fremtiden. Visionen er at fremstille brint

fra vind- og solenergi og lagre den og vha. en brændselscelle

omsætte brint til elektrisk energi. Men der er stadig mange

uløste problemer. Nanopartikler katalyserer omdannelsen af

brint i brændselscellen, men den proces skal gøres mere ef-

fektiv. Opbevaring kan måske lade sig gøre ved at lade brint

reagere med et fast stof, som det siden hen kan skilles fra.

Som gas eller væske fylder brint meget og kan være eksplosivt.

Eksemplerne er udvalgt og sammenskrevet af redaktions-

sekretær Katrine Køber og redaktør Tina Læbel.

Eksempler på nanopartikler

Metalliske og Keramiske nanopartikler

er nok den gruppe af nanopartikler, der har

været anvendt længst. Eksempler på meget

anvendte metaloxider er SiO2, TiO2, ZnO,

Al2O3, Fe2O3, mens lermineralet montmoril-

lonit (Ca0.5,Na)0.7(Al,Mg)4[(Si,Al)8O20].

nH2O] er et eksempel på et nanosilikat.

Fotos: iNano

Anvendelse: pigment (TiO2, ZnO, Fe2O3),

solcreme (TiO2), magnetiske hukommelses

bånd (Fe2O3), fillers, coatings, katalysatorer.

Nanorør (Nanotubes) fås i forskellige va-

rianter: lange, korte, enkelt- og multivæg-

gede, åbne, spiralformede osv. Kulstofba-

serede nanotubes har mere end 100 gange

højere trækstyrke end stål, de er bedre

termiske ledere end diamant og har en elek-

trisk ledningsevne på niveau med kobber.

Anvendelse: forbedrede nanoskala ana-

lyseteknikker i atomic force mikroskopi,

hydrogen og gaslagring i brændselsceller,

kemiske sensorer, biosensorer, elektronik,

belysningsteknologi, komponent i stærke

kompositmaterialer, filler i tekniske ma-

terialer og byggematerialer, superstærke

kabler, lette karrosseridele til biler, fly og

rumfly samt tekstiler.

Kilde: Gruppen for Nanotoksikologi og Arbejdshygiejne,

Det Nationale Forskningscenter for Arbejdsmiljø.

http://www.arbejdsmiljoforskning.dk/ Aktuel%20forskning/

Nanoteknologi.aspx

Hydrogen-bil m. brændselscelle

og opbevaring

Guld nikkel overflade blev udviklet

til katalysatorer i dampreformering.

Legeringen kan måske bruges i

brændselsceller.

More magazines by this user
Similar magazines