Redaktion og opdatering af indholdet på denstoredanske.dk er indstillet pr. 24. august 2017. Artikler og andet indhold er tilgængeligt i den form, der var gældende ved redaktionens afslutning.

  • Artiklens indhold er godkendt af redaktionen

nanoteknologi

Oprindelig forfatter PELin Seneste forfatter Redaktionen

nanoteknologi, fagområde, der beskæftiger sig med udvikling og udnyttelse af materialestrukturer og funktionelle komponenter, der i udstrækning måles i nanometer (nm, 10-9 m), dvs. langt mindre end fx de komponenter, der i dag indgår i opbygningen af computerchips. Nanokomponenter kan være enkelte molekyler med en størrelse helt ned til ca. 10 gange størrelsen af et hydrogenatom.

Nanoteknologi er en tværvidenskabelig disciplin, som involverer fysik, kemi, biologi, medicin og en række tekniske fagområder. Man har siden atomfysikkens barndom i begyndelsen af 1900-t. beskæftiget sig med fænomener og processer, der finder sted i nanoområdet, men det nye i nanoteknologien er, at man her forsøger at kontrollere og praktisk udnytte sådanne fænomener og processer. Som decideret forskningsområde har nanoteknologien taget fart siden midten af 1990'erne, og der stilles forventninger til, at den i 2000-t. vil få en betydning, som overgår den, mikroelektronikken og bioteknologien har haft i 1900-t.

I nanoområdet opfører stofferne sig ikke, som man umiddelbart ville forvente. Der kræves en ny teori til at forklare de ændrede egenskaber af nanostrukturer, når de i udstrækning møder den atomare og molekylære verden med dens særlige kvanteegenskaber. Derfor er nanoteknologi ikke blot teknologi på en mindre længdeskala, men et nyt begrebsmæssigt område og en selvstændig disciplin med et nyt teoretisk fundament, den mesoskopiske fysik.

Annonce

Bottom-up og top-down

Nanostrukturer kan fremstilles ved to principielt forskellige metoder. Den ene er kemisk eller biologisk inspireret og kaldes populært bottom-up. Den anden, top-down, er knyttet til metoder fra den traditionelle teknik og fysik.

Ved bottom-up forstår man processer, hvor der ved selvorganisering sker en kemisk syntese (sammensmeltning) af atomer eller molekyler eller en biologisk syntese af proteiner eller celler til større velordnede enheder. Bottom-up har altid været kemiens og biologiens særkende. Det nye er, at man i dag har instrumenter (fx scanning-tunnelmikroskopet), der gør det muligt at følge sådanne processer atom for atom og dermed også at beskrive dem bedre, end det tidligere har været muligt. Epitaksiel dyrkning af enkrystaller (se epitaksi) er et eksempel på en sådan selvorganiseringsproces, hvor lag efter lag af atomer lægger sig perfekt på plads i krystallen bestemt af deres kemiske tilhørsforhold. Det er fx på den måde, læseenheden i en cd-afspiller er fremstillet; den indeholder en på atomart niveau lagdelt GaAs/AlGaAs-nanokrystal. Kemisk syntese af komplicerede organiske molekyler, celledeling og udvikling af levende organismer er vigtige bottom-up-nanoprocesser, som forekommer i naturen. Nanoteknologien søger inden for biologien at eftergøre sådanne processer.

Top-down-teknologien baserer sig på udvikling af litografien, så den bliver i stand til at dele materialer op i mindre og mindre strukturer. Et almindeligt fotografi har detaljer ned til mellem en tiendedel og en hundrededel af en millimeter. Det er de mindste detaljer, der kan opfattes med det blotte øje. For at kunne fremstille de meget sammensatte elektriske kredsløb i en computer har man udviklet en fotografisk teknik til at lave mønstre ned til under en mikrometer, dvs. ca. 1000 gange mindre end i almindelig fotografi. Hertil bruges normalt ultraviolet lys med en bølgelængde på ca. 500 nm, der gennem en maske belyser en følsom hinde (fotoresist). Lysets bølgelængde sætter pga. diffraktion en grænse på ca. 200 nm for, hvor små kredsløb der kan fremstilles ved denne metode.

For at danne endnu finere mønstre er der udviklet andre metoder. Den mest anvendte er elektronstrålelitografien, der baserer sig på et scanning-elektronmikroskop (se elektronmikroskop). Begrænset af tilbagespredte elektroner kan man med denne teknik fremstille mønstre ned til en størrelse på ca. 10 nm. Et skridt videre når man med scanning-tunnelmikroskopet, som muliggør litografi fra 10 nm og ned til størrelsen af enkelte atomer. Denne teknik er dog endnu på forskningsstadiet.

Nanobiologi og nanomedicin

Nanoteknologien gør biologer og læger i stand til at iagttage fænomener, de ikke før har kunnet se, og til at manipulere biologiske processer. I biologiens verden findes selvorganiserede systemer baseret på bl.a. DNA, ribosomer og fotoaktive proteiner. Med nanoteknologi kan man skabe kombinationer af disse byggesten til nye biologiske stoffer. Ofte vil disse muligheder være knyttet til manipulation af de enkelte biologiske molekyler vha. scanning-tunnelmikroskoper.

Der findes en række nanostrukturer, der giver interessante muligheder for fremtidige anvendelser, herunder hulrum dannet vha. en kugleformet skal af dobbeltlags-cellemembraner (liposomer), meget forgrenede polymerer (dendrimer) og fullerener. Sådanne strukturer kan i hulrum eller andre steder fastholde andre typer af molekyler, og måske kan de bringes til at afgive disse stoffer bestemte steder i den menneskelige organisme med lokalt helbredende virkning.

Katalyse, som er en vigtig proces i den kemiske industri, er baseret på molekylær nanoteknologi. Ved at udnytte scanning-tunnelmikroskopernes ekstreme følsomhed er man i stand til at måle den kraft, forskellige molekyler udøver på hinanden, og man kan med denne viden fremstille en detektor, der kan registrere enkelte typer af molekyler.

Nanoelektronik og molekylær elektronik

Informationsteknologien vil have et stigende behov for integreret nanoelektronik til computere, lagringsmedier og kommunikation. Parallelt med udviklingen af stadig mindre transistorer, der er tættere pakket, arbejdes der på nye typer af elektronik baseret på mesoskopiske teorier. Inden for top-down-teknologien arbejdes der især med de gængse halvledere Si og GaAs ved lave temperaturer.

Bottom-up-teknologier er inden for dette anvendelsesområde inspireret af de biologiske selvorganiseringsmekanismer af komplicerede organiske molekyler, der spontant kan udvikle elektriske kredsløb. Sådanne integrerede kredsløb kendes fra vore egne nervebaner og vor hjerne, hvor de virker som selvorganiserede "datamaskiner". Dette felt kaldes molekylær elektronik, og mange kemiske laboratorier arbejder med udvikling af organiske materialer med lange molekyler (polymerer) eller fedtbaserede membraner, der kan organisere sig i overraskende konfigurationer med elektriske egenskaber. Interessen samler sig bl.a. om udvikling af billige, lysemitterende dioder og fleksible lyspaneler på μm-skala samt om at skabe et molekylært, integreret kredsløb på nanoskala.

Et særligt område inden for molekylær elektronik knytter sig til nanorør af kulstof, der blev opdaget i 1991 af den japanske fysiker Sumio Iijima (f. 1939). Det er cylindre med kun et enkelt atomlag, som kan være op til flere hundrede μm lange og 1-2 nm i diameter. Kulstofnanorør har gjort det muligt at fremstille transistorer, der har større forstærkning end siliciumtransistorer. Det har endvidere vist sig, at visse typer af kulstofnanorør er metalliske, hvilket kan få stor betydning for transmission af signaler mellem forskellige komponenter. Der er mange typer af kulstofnanorør med forskellige egenskaber, fx er nogle højredrejede og nogle venstredrejede (forskellig chiralitet). Udviklingen er endnu (2002) på forskningsstadiet, idet det ikke er lykkedes at opbygge kulstofnanorør på ønskede positioner og med veldefineret diameter og kiralitet.

Kvanteteknologi

Nanoteknologien vil med de stadig mindre komponentdimensioner kunne forøge regnekraften i computere. Der er imidlertid også en anden udvikling i gang, som måske på afgørende måde vil revolutionere computerindustrien. Det er kvantecomputeren, hvor man knytter logiske operationer til ændringer af kvantemekaniske tilstande af atomer (qubits) i stedet for elektriske tilstande i elektroniske komponenter (bits). Kvantemekaniske tilstande ændres langt hurtigere, end man kan ændre en elektrisk spænding. Der har siden midten af 1990'erne været arbejdet med disse muligheder, og man har indtil nu været i stand til at få to qubits til at fungere sammen. For at kvantecomputeren skal blive af praktisk interesse, skal ca. 100 qubits kunne vekselvirke indbyrdes.

Forskning

Nanoteknologien er kun ved begyndelsen af en udvikling, der har mulighed for at revolutionere store dele af den industrielle produktion inden for bl.a. elektronik, kemisk industri, lægevidenskabelige metoder og præparater samt biologiske produkter. Der er iværksat en omfattende forskningsindsats i industrilandene inden for nanoteknologi. I Danmark forsker Mikroelektronik Centret inden for området, og der er oprettet et Interdisciplinært Center for Nanoscience ved Aarhus Universitet og et Nano Science Center ved Københavns Universitet. Begge sidstnævnte centre har fra 2002 startet en selvstændig uddannelse i nanoteknologi med tilknyttede forskerskoler.

Referér til denne tekst ved at skrive:
Poul Erik Lindelof: nanoteknologi i Den Store Danske, Gyldendal. Hentet 18. april 2019 fra http://denstoredanske.dk/index.php?sideId=129896