Nanoteknologi
Nanoteknologi er en del af videnskab og teknologi, der handler om kontrol af stof på atom- og molekylærskalaen - dvs. ting, der er omkring 100 nanometer på tværs.
Nanoteknologi omfatter fremstilling af produkter, der anvender så små dele som f.eks. elektroniske enheder, katalysatorer, sensorer osv. For at give dig en idé om, hvor lille det er, er der flere nanometre i en tomme, end der er tommer i 400 miles.
For at give et internationalt billede af, hvor lille det er, er der lige så mange nanometer i en centimeter, som der er centimeter i 100 kilometer.
Nanoteknologi samler videnskabsfolk og ingeniører fra mange forskellige fagområder, f.eks. anvendt fysik, materialevidenskab, grænseflade- og kolloidvidenskab, udstyrsfysik, kemi, supramolekylær kemi (som henviser til det område af kemien, der fokuserer på molekylers ikke-kovalente bindingsinteraktioner), selvreplikerende maskiner og robotteknologi, kemiteknik, maskinteknik, biologi, biologisk ingeniørvidenskab og elektroteknik.
Når folk taler om nanoteknologi, mener de normalt strukturer på 100 nanometer eller mindre. Der er en million nanometre i en millimeter. Nanoteknologien forsøger at fremstille materialer eller maskiner af denne størrelse.
Der udføres mange forskellige former for arbejde inden for nanoteknologi. Det meste af det nuværende arbejde går ud på at fremstille nanopartikler (partikler i nanometerstørrelse), der har særlige egenskaber, f.eks. den måde, de spreder lys på, absorberer røntgenstråler, transporterer elektrisk strøm eller varme osv. I den mere "science fiction"-agtige ende af området er der forsøg på at lave små kopier af større maskiner eller helt nye ideer til strukturer, der laver sig selv. Nye materialer er mulige med nanostrukturer i nanostørrelse. Det er endda muligt at arbejde med enkelte atomer.
Der har været mange diskussioner om nanoteknologiens fremtid og dens farer. Nanoteknologien kan måske være i stand til at opfinde nye materialer og instrumenter, som vil være meget nyttige, f.eks. inden for medicin, computere og fremstilling af ren elektricitet (nanoelektromekaniske systemer), og den kan hjælpe med at designe den næste generation af solpaneler og effektiv lavenergibelysning). På den anden side er nanoteknologien ny, og der kan være ukendte problemer. F.eks. hvis materialerne er skadelige for menneskers sundhed eller for naturen. De kan have en dårlig effekt på økonomien eller endda store naturlige systemer som selve Jorden. Nogle grupper argumenterer for, at der bør være regler for brugen af nanoteknologi.
Typiske nanostrukturgeometrier.
Nanoteknologiens start
Tankerne om nanoteknologi blev første gang brugt i foredraget "There's Plenty of Room at the Bottom", et foredrag holdt af videnskabsmanden Richard Feynman på et møde i American Physical Society på Caltech den 29. december 1959. Feynman beskrev en måde at flytte individuelle atomer på for at bygge mindre instrumenter og arbejde på denne skala. Egenskaber som f.eks. overfladespænding og Van der Walls kraft ville blive meget vigtige.
Feynmans enkle idé syntes mulig. Ordet "nanoteknologi" blev forklaret af professor Norio Taniguchi fra Tokyo Science University i en artikel fra 1974. Han sagde, at nanoteknologi var arbejdet med at ændre materialer med et atom eller et molekyle. I 1980'erne blev denne idé undersøgt af Dr. K. Eric Drexler, som talte og skrev om betydningen af begivenheder i nanoskala. "Engines of Creation: The Coming Era of Nanotechnology" (1986) anses for at være den første bog om nanoteknologi. Nanoteknologi og nanovidenskab startede med to vigtige udviklinger: starten på klyngevidenskab og opfindelsen af scanning-tunnelmikroskopet (STM). Kort tid efter blev der opdaget nye molekyler med kulstof - først fullerener i 1986 og kulstofnanorør et par år senere. I en anden udvikling studerede man, hvordan man fremstiller nanokrystaller af halvledere. Mange metaloxid-nanopartikler anvendes nu som kvantepunkter (nanopartikler, hvor de enkelte elektroners adfærd bliver vigtig). I 2000 begyndte USA's nationale nanoteknologiinitiativ at udvikle videnskaben på dette område.
Klassificering af nanomaterialer
Nanoteknologien har nanomaterialer, som kan klassificeres i nanopartikler i en, to og tre dimensioner. Denne klassificering er baseret på forskellige egenskaber, som f.eks. spredning af lys, absorption af røntgenstråler, transport af elektrisk strøm eller varme. Nanoteknologien er tværfaglig og berører flere traditionelle teknologier og forskellige videnskabelige discipliner. Der kan fremstilles nye materialer, som kan skaleres selv i atomstørrelse.
Fakta
- En nanometer (nm) er 10-9 eller 0,000.000.000.001 meter.
- Når to kulstofatomer slutter sig sammen til et molekyle, er afstanden mellem dem i intervallet 0,12-0,15 nm.
- DNA-dobbeltspiralen er ca. 2 nm fra den ene side til den anden. Det udvikler sig til et nyt område inden for DNA-nanoteknologi. I fremtiden kan DNA manipuleres, hvilket kan føre til en ny revolution. Det menneskelige genom kan manipuleres efter behov.
- En nanometer og en meter kan forstås som den samme størrelsesforskel som mellem en golfbold og jorden.
- En nanometer er ca. en femogtyve tusindedel af diameteren på et menneskehår.
- Fingernegle vokser en nanometer i sekundet.
Fysiske egenskaber ved nanomaterialer
På nanoskala ændres systemets eller partiklernes fysiske egenskaber væsentligt. Fysiske egenskaber som f.eks. kvantestørrelsesvirkninger, hvor elektroner bevæger sig anderledes for meget små partikelstørrelser. Egenskaber som f.eks. mekaniske, elektriske og optiske ændringer, når makroskopiske systemer ændres til mikroskopiske systemer, hvilket er af største betydning.
Nanomaterialer og -partikler kan fungere som katalysator for at øge reaktionshastigheden og dermed give et bedre udbytte sammenlignet med andre katalysatorer. Nogle af de mest interessante egenskaber, når partikler omdannes til nanoskala, er, at stoffer, der normalt stopper lys, bliver gennemsigtige (kobber); det bliver muligt at brænde nogle materialer (aluminium); faste stoffer bliver til væsker ved stuetemperatur (guld); isolatorer bliver til ledere (silicium). Et materiale som guld, der ikke reagerer med andre kemikalier i normal skala, kan være en kraftig kemisk katalysator i nanoskala. Disse særlige egenskaber, som vi kun kan se på nanoskalaen, er en af de mest interessante ting ved nanoteknologi.
Spørgsmål og svar
Spørgsmål: Hvad er nanoteknologi?
A: Nanoteknologi er en del af videnskab og teknologi om kontrol af stof på atom- og molekylærskalaen, hvilket omfatter fremstilling af produkter, der anvender så små dele, f.eks. elektroniske anordninger, katalysatorer, sensorer osv.
Spørgsmål: Hvor små er nanometer?
A: Nanometre er utroligt små - der er flere nanometre i en tomme, end der er tommer i 400 miles. For at give et internationalt billede af, hvor lille det er, er der lige så mange nanometre i en centimeter, som der er centimeter i 100 kilometer.
Spørgsmål: Hvilke typer arbejde udfører folk inden for nanoteknologi?
A: Folk, der arbejder inden for nanoteknologi, arbejder med at fremstille nanopartikler (partikler på nanometerstørrelse), der har særlige egenskaber som f.eks. at sprede lys eller absorbere røntgenstråler. De forsøger også at lave små kopier af større maskiner eller virkelig nye ideer til strukturer, der laver sig selv. Der kan fremstilles nye materialer med nanostrukturer, og det er endda muligt at arbejde med enkelte atomer.
Spørgsmål: Hvilke potentielle anvendelser har nanoteknologien?
A: Nanoteknologien har potentielle anvendelser på mange forskellige områder, herunder medicin, computere og ren elproduktion (nanoelektromekaniske systemer). Den kan også hjælpe med at designe næste generation af solpaneler og effektiv lavenergibelysning.
Spørgsmål: Er der nogen risici forbundet med anvendelsen af nanoteknologi?
A: Der kan være ukendte problemer forbundet med anvendelsen af nanoteknologi, f.eks. hvis de anvendte materialer er skadelige for menneskers sundhed eller for naturen. De kan have en dårlig effekt på økonomien eller endda på store naturlige systemer som selve Jorden, så nogle grupper mener, at der bør indføres regler for brugen af nanoteknologi.
Spørgsmål: Hvilke typer forskere studerer nanoteknologi?
A: Forskere, der studerer nanoteknologi, kommer fra mange forskellige discipliner, herunder anvendt fysik, materialevidenskab, grænseflade- og kolloidvidenskab, udstyrsfysik, kemi, supramolekylær kemi, selvreplikerende maskiner og robotteknologi, kemi, maskinteknik, biologi, biologi, biologisk teknik, elektroteknik osv.
