Ju mindre desto bättre - framtiden finns i nanoskalan

Motoraxlar tunna som hårstrån är bara början, säger entusiasterna

Av Hans Rehnvall

En nanometer är en miljarddels meter. En bakterie kan vara många tusen nanometer lång. Det synliga ljusets våglängd är mellan 400 och 700 nanometer. De allra minsta mönster som vi kan skapa på integrerade kretsar är bortåt tusen nanometer. Nanometer är måttet för molekyler och atomer: De minsta atomerna är ungefär en tjugondels nanometer tvärsöver, de största är en kvarts nanometer.

”Think big”, tänk stort, har länge varit uppmaningen till både tekniker och företagsledare. Men entusiasterna för nanotekniken menar tvärtom: Det är i nanoskalan som framtidens teknik ska utvecklas - maskiner som bara är några hundra nanometer, kanske apparater som kan krypa omkring inne i kroppens blodkärl och rensa dem från farligt fett, eller varför inte knipsa bort tumörceller (som kan vara tusentals nanometer stora). För att nu inte tala om datorer i nanoskala, snabbare och bättre än någonting vi kan föreställa oss.

Nanomaskiner finns redan som science fiction, där de bl a kan mutera - ändra sig - så att de vänder sig mot sina skapare och äter upp dem, som ett slags fasansfull smitta, eller tom äter upp hela jorden, som slutar sin historia som en jättelik hög med damm av trasiga nanomaskiner.

IBM skrev firmanamnet i enskilda atomer
I USA finns nanoteknikinstitut av flera olika slag, mer eller mindre fantasifulla, som ivrigt uppmanar forskare att satsa på nanoteknik, och som ger råd åt studenter som vill bli nanouppfinnare. De här instituten har ofta mer drag av påtryckningsgrupper än av forskningsinstitut, och påverkan har de - stora seriösa forskningsanläggningar som Lawrence Berkeley National Laboratory och Oak Ridge National Laboratory har nanoprogram igång. Pengar spenderas, forskarpannor läggs i djupa veck.

Nu är det FOAs tur. Forskarna Stephen Savage och Per-Olof Olsson på materialinstitutionen i forskningsavdelningen för styrning, material och undervattenssensorer i Ursvik har skrivit en användarrapport om nanostrukturella material, den del av nanoteknologin som hunnit längst och som anses mest seriös.

Alltihop sägs ha börjat 1959, då Nobelpristagaren i fysik Robert Feynman sade att helt nya möjligheter skulle öppna sig om man kunde få kontroll över materiens struktur i mycket liten skala. Han utmanade uppfinnarna att konstruera en elektrisk motor som var extremt liten - till slut kom det fram en, med en axel som ett hårstrå. IBM (som på den tiden såg ut att dominera allt som hade med ”high-tech” att göra) lyckades också skriva sitt företagsnamn på en kiselskiva med enskilda atomer. En entusiast, K Eric Drexler från Massachusetts Institute of Technology MIT, myntade namnet ”nanotechnology”. Idén, liksom oron för att det hela skulle visa sig på något sätt farligt, spred sig, strängt taget utan att någon kunde säga hur det skulle gå till att förverkliga tankarna om atombyggen.

Nanomaskinerna låter fortfarande vänta på sig. Mycket små mekaniska komponenter har byggts, men de är ändå jättestora med nanomått mätt. Det närmaste man kommit är kanske de datorsimulationer som gjorts vid Oak Ridge. Där har man visat tex hur en vätska kan flyta genom en simulerad nanomaskin, och man har - i datorn - byggt ett lager med axel av grafit. Konstruktionen består bara av 4000 atomer (på en knappnålshuvud ryms många miljoner...), och den närmar sig väl därför en riktig nanokonstruktion. Men, som sagt, det är en datorsimulering.

Små korn ger metallen nya egenskaper
Nanostrukturella material - dvs material där grundstrukturer som fibrer, kristallkorn eller skikt är av nanometerformat - finns däremot i sinnevärlden, och det är helt klart att de öppnar en ny värld av annorlunda materialegenskaper.

Ser man på en metallbit i ett mikroskop upptäcker man att den består av kristaller, på metallurgspråk kallade korn. Många av egenskaperna hos metallen bestäms av hur stora de här kornen är, och hur ytorna som skiljer dem från varandra, korngränserna, ser ut.

De allra flesta atomer i en vanlig metall finns förstås inuti kornen. Det är bara en mycket liten del som ligger på ytan, korngränsen. Annorlunda är det om kornen är små - i nanoformat. Är kornet tex 5 nm i diameter ligger hälften av alla atomerna på ytan. Det är ett skäl till att nanometallen får helt andra egenskaper, inte bara mekaniska utan också elektriska, magnetiska och optiska.

Kopparmetall med nanostruktur - korn på 6 nm - är fem gånger starkare än vanlig koppar. Legerat järn med liknande struktur kan bli bortåt tio gånger starkare och hårdare än motsvarande vanlig metall. Att sådana material kan vara värdefulla i alla möjliga tekniska sammanhang är uppenbart - och de blir förstås också intressanta för försvarsforskningen.

Nanoteknik kan göra metall genomskinlig
Stephen Savage och Per-Olof Olsson går i sin rapport igenom flera framtidsmöjligheter. Först de starkare metallerna, som kan få användning i olika mekaniska konstruktioner och i stridsdelar. Keramiska material får också bättre egenskaper när man närmar sig nanostruktur. Här öppnar sig nya möjligheter för lätta pansar (tex skyddsvästar). Nya sätt att forma keramiska material kan också komma fram - ”nanokeramer” sägs bli plastiska som metaller, så att de blir mer formbara.

De magnetiska egenskaperna förändras också. Magnetkornen på videoband eller datordisketter är av nanoformat, och här är ytterligare utveckling möjlig. Bättre permanentmagneter kan också göras.

Ofta är det korngränserna, inte innanmätet i kornet, som gör att ett material är ogenomskinligt. Om kornen görs mindre än ljusets våglängd kan ljus obehindrat slinka igenom. Det gäller t ex aluminiumoxid, som således blir genomskinligt när kornen blir tillräckligt små.

Genom att blanda in nanopartiklar av olika slag, och storlek, i t ex glas, kan man få fram andra optiska egenskaper. Från Lawrence Berkeley-laboratoriet meddelades nyligen att man fått fram nanokristaller av kadmiumselenid som lyser med olika färg beroende på den elektriska spänning man lägger över dem - något som kan ge oss bättre färgdisplayer för t ex datorer.

De nya materialen kan också användas för signaturanpassning - ”smygteknik”. Material med porer i nanoformat får helt nya egenskaper när man ”dopar” dem genom att fylla porerna med olika ämnen. De kan t ex absorbera mikrovågor eller fungera som optiska sensorer. Nanopormaterial kan också bli stötdämpare eller användas för värmeisolering.

De elektriska egenskaperna påverkas också. Vissa slag av nanostrukturmaterial sägs kunna bli ett slags superkondensatorer, som kan lagra stora mängder elektrisk energi. Sådana bättre uppladdningsbara batterier har inte bara civilt intresse - alltmer elektricitet används i framtidens vapen.

För explosivämnen kan nanotekniken betyda mycket. Redan i dag pågår en snabb utveckling mot större energiinnehåll. Genom att tillsätta nanopartiklar av aluminium eller järnoxid kan man förbättra egenskaperna hos t ex raketbränsle.

Fullerener - märkliga kolbollar
Ett särskilt kapitel inom ämnet nanostrukturella material är fullerenerna. En fulleren är en molekyl som består av kolatomer ordnade i sexhörningar, som i grafit, eller femhörningar. Det speciella är att de bildar en boll - faktiskt med samma utseende som en vanlig fotboll, fast i nanoformat.

Den först upptäckta fullerenen (det var 1985) har formeln C60, och består alltså av 60 kolatomer. Senare har man upptäckt fler varianter, och dessutom kommit på att man kan stänga in andra molekyler inuti fullerenbollen. Fullerenerna har många speciella egenskaper, bl a optiska - man har ännu bara börjat upptäcka allt de kan göra.

Richard Smalley, som fick Nobelpris för sin upptäckt av fullerenerna, arbetar fn med en besläktad kolstruktur: Fullerenrören. De består också av sex- och femhörningar av kolatomer, men är formade till oerhört smala rör. Fullerenrören kan bli mycket styva, och lämpa sig som fibrer i extremt starka kompositmaterial. Smalley har ockå prövat att göra en liten bunt av fibrer, med en mittfiber som sticker ut - och på det sättet få en penna i nanometerformat, som gör det möjligt att rita eller rispa i material, kanske peta undan enskilda atomer.

Att tillverka fullerener är inte så enkelt. Det är mycket arbete i vacuum, höga krav på extrem kemisk renhet och ibland stora svårigheter att ta reda på vad man egentligen åstadkommit. En fullerenboll är bara någon nanometer tvärsöver...

På samma sätt är det med nanomaterialen överhuvudtaget. Tillverkningen kräver helt ny teknik. Man kan skapa ett nanometerskikt av ett ämne genom att låta lite ånga av det, i vacuum, kondensera på en yta. Det är en användbar metod, den fungerar för vissa ämnen, men det går knappast att framställa några större mängder av nanomaterial på det sättet.

Man kan förstås helt enkelt mala ämnen så att de blir finpulveriserade, ända ner till nanometerskala. Det är tillämpbart för många ämnen, och man kan få fram större mängder. Det finns också kemiska metoder som kan användas. Ska man nu tillverka något av det nya materialet måste man också tänka på dess speciella egenskaper - hettar man upp det för mycket, t ex, börjar kornen smälta ihop och växa, och man blir av med nanoegenskaperna.

Eric Drexlers dröm var - och är väl fortfarande - att nanotekniken ska innebära nästa stora teknologiska revolution (efter ångan, elektriciteten och datorerna). Dit är det nog ännu långt, och Drexler och hans lika entusiastiska kamrater har fått utstå både kritik och hån för att de varit alltför fantasifulla. Men - trots allt rör det sig på nanofronten. Drexler kanske ännu har chansen att få skratta bäst och sist.

FOA-forskarna Stephen Savage och Per Olof Olsson har mer prosaiska mål - att börja bygga upp en kompetens inom FOA, i samarbete med universitet och högskolor, inom området nanostrukturella material, och bl a kunna delta i det samarbete som redan finns på området inom EU.

Från FOA-tidningen nr 4-1997 - www.foi.se/framsyn


http://www.foi.se/FOI/templates/Page____436.aspx