Lederen for NanoLab Kay Gastinger sammen med en doktorgradsstudent ser på hvordan nanopartikler i gull er sett gjennom elektronmikroskopet. (Bilde: Maria Amelie)

Støvfri jakt på naturens byggesteiner

TRONDHEIM: Det er den enkle forklaringen, men sagt på nanospråk er den eksakte størrelsen på en nanometer 10 -9 meter.

En avstand på en nanometer består av ca 5-10 atomer. Med andre ord handler nano om størrelser som er bokstavelig talt vanskelig å få øye på.





Nevnt først i 1959

Ideen om små partikler ble først nevnt av den prisvinnende fysikeren Richard Feynmans foredrag i 1959. I den legendariske forelesningen «There’s Plenty Room at the Bottom» nevner han muligheten til å manipulere og bygge opp konstruksjoner på atomnivå.

Siden den gang har ordet nano blitt en del av vårt daglige liv gjennom maling som er mer slitesterk og graffittiavstøtende, gjennom vinduer som er selvvaskende eller skismøring som tilpasser seg underlaget.

Men nanoteknologi handler om så mye mer enn det. Det er et stadig voksende tverrfaglig fagfelt som sprer seg over hele verden gjennom samarbeid mellom ulike områder.

Teknisk Ukeblad dro til NanoLab NTNU for å forstå mer av det.

Les også: Samler energi med nanoteknologi

Her er en hanskeboks som brukes for kjemisk arbeid i beskyttet (inert) atmosfære (Nitrogen, Argon
Her er en hanskeboks som brukes for kjemisk arbeid i beskyttet (inert) atmosfære (nitrogen, argon). Maria Amelie

Nanostruktur i kroppen

– Hvis du ser på naturen, kan du finne mange eksempler på nanostrukturer. Hos mennesket er den biologiske makromolekyl ca. på 4-5 nanometer og videre oppover. Diameter på DNA er to nanometer, mens lengden på DNA er varierende for ulike organismer, sier Bjørn Torger Stokke, professor i fysikk.

Når det gjelder andre nanoeksempler fra naturen, nevnes gekkos unike evne til å klebre seg fast til veggen. Øglen kan takket være positive og negative ladninger i millioner av tynne hår under føttene klistre seg fast til veggen.

Egenskapen heter Van der Waalskraft og har en effekt i gekkos tilfelle på grunn av mange millioner ladninger.

Industrien inspirert av gekko har prøvd å imitere limegenskaper og lage en tape som ikke mister sin limeevne over tid.

Les også: Bruker robot til nanoforsøk

Her er "sputter coater" som brukes for å deponere tynne metallag på overflaten av prøver
Her er "sputter coater" som brukes for å deponere tynne metallag på overflaten av prøver. Maria Amelie

Overflaten betyr mer

Nanoforskning betyr hovedsakelig å kontrollere dimensjoner og størrelser på opptil 100 nanometer.

– Nanoteknologi handler altså om at man strukturerer naturens byggesteiner som molekyler og atomer på en mer kontrollert måte og nivå enn før, sier Stokke.

Siden skalaen blir mindre og mindre med nano blir overflateegenskaper til materialer mye viktigere.

– Hvis man deler opp en terning i mindre biter blir overflatearealet mye større i forhold til den samlete massen. Når bitene nærmer seg nanometerstørrelse, blir overflatearealet så stort at den blir dominerende for egenskapene til materialet. Slik kan man forandre materialets egenskaper ved å forandre størrelse på partiklene. Dette åpner for en helt ny gruppe av materialer, sier lederen for NanoLab, Kay Gastinger.





Før det rene rommet

Renrommet er selve grunnpillaren i eksperimentell nanoforskning. Etter en omvisning på NanoLab får man innblikk i at renrommet skal være så rent som mulig for partikler som støv, hudceller og alt annet. Man jobber jo tross alt på nanoskala og små detaljer betyr mye.

Krigen mot forurensende partikler gjelder overalt. For å komme inn er man nødt til å ta på seg først et par lånesko, også bytte det til et annet par.

Deretter tar man på seg hansker, kler seg i hvitt frakk som blir vasket i de spesielle vaskemaskinene basert på renset vann som sørger for at frakkene er støvfrie

Til slutt skal man ha på en hette som forhindrer at hårceller faller på gulvet i renrommet. Ikke minst for de med skjegg finnes det munnbind.

Klør du deg i skjegget uten hette, slipper du ut hudpartikler som kan påvirke partikkelbalansen i renrommet. Kamera blir tørket i et desinfiserende middel og man kan bare glemme å ta inn ark og papir for å notere.





Før man i det hele tatt kommer seg inn i renrommet må man bytte sko som ligger til utlån to ganger. De hvite skoene er de man bruker i selve renrommet.
Før man i det hele tatt kommer seg inn i renrommet må man bytte sko som ligger til utlån to ganger. De hvite skoene er de man bruker i selve renrommet. Maria Amelie

I det rene rommet

Bygget som kostet nesten 150 millioner kroner å bygge, er veldig gjennomtenkt. Luften er ren bokstavelig talt.

– Ser du her, sier Gastinger og peker på småhullene i gulvet. Over taket er det Hepafiltre som absorberer forurensende partikler fra luften. Ventilasjonen er utformet slik at luftstrøm kommer fra taket og forsvinner for å så bli ført tilbake til Hepafiltrene.

Når vi går gjennom lokalet med avanserte elektronmikroskoper, kjemiske innretninger med avtrekkskap og oppvarmingssystemer, kjennes det som om føttene klistrer seg fast til gulvet. Gul evbelegget er et av mange tiltak for å ikke spre støv.

Ingen vibrasjoner

Ser man på gulvet på noen områder virker det veldig stabilt. Man står tross alt på en hele ni meter dyp betongkloss. Takket være tykkelsen i flere etasjer forhindrer man vibrasjoner og man kan produsere og ta bilde av på nanostrukturer uforstyrret.

Helt uforstyrret blir det likevel ikke, da strømbrudd i hele bygget kan være problematisk for de som forsker.

– Det har skjedd noen ganger og da kan mye av arbeidet gå tapt. Vi har noen maskiner her som kan bruke opptil en uke for å starte opp igjen fordi de må opparbeide riktig vakuum. Men de viktigste maskinene har en ekstra strømgenerator så der er vi sikret, sier Gastinger.





Gulvet i nanolaboratoriet er 9 meter dyp betong på enkelte steder. Lager man nanostrukturer er det nødvendig med ikke bare ren luft, men også stabilt miljø uten vibrasjoner. Maria Amelie

Topp-ned, bunn-opp

På laboratoriet finnes flere ulike elektronmikroskoper. Gjennom dem kan man se nesten ned på atomnivå. Det er dyrebart utstyr, det ene mikroskopet koster nærmere 5 millioner kroner. Den er koblet opp til pc-skjerm hvor en forsker betrakter nanopartikler av gull.

Det finnes to måter å lage strukturer på nanoskalaen , enten topp-ned-metoden eller bunn-opp. I topp-ned-metoden deler man materialet i små biter og når størrelsen på bitene nærmer seg nanoskala kan egenskaper som smeltepunkt og farge annerledes.

Man kan ikke lenger forvente helt vanlige fysiske lover og kjemiske reaksjoner.

På et nivå hvor uforutsigbarhet preger forskningsprosessen skifter for eksempel gullpartikler farge til blått, lilla og rødt hvis de er mindre enn 100 nanometer.

Bedre presisjon

I topp-ned-metoden kan man etse ut strukturer fra en større del, mens man i bunn-opp-metoden starter på atomnivå for å bygge opp nye strukturer. Ved hjelp av syntese og molekyler som selvorganiseres som følge av kjemiske reaksjoner kan man lage nano.

– Presisjonen i nanoteknologi har stadig blitt bedre. Nedenfra og opp-metoden får en helt annen betydning – du kan faktisk lage strukturer ved å printe atomer på overflater. Den likner ikke noen annen forskning i hele verden, sier Stokke.

Lager man store strukturer helt fra bunnen av, betyr det noen hundre millioner atomer som settes sammen. Det er avanserte utregninger som skal til.

– En av forskerne hadde modellert hvordan stål oppfører seg på nanoskala. Etterpå testet han på NanoLab om atommdellene hans virkelig stemte. Da brukte han fokusert ionestråle instrument, nanofresemaskin. Da kunne han lage små strukturer i ståloverflaten, som han så kunne deformere med en nanomekanisk testmaskin. Det er jo kjempemorsomt, sier Gastinger og smiler.

Les også: Tør ikke markedsføre nano





Du kan faktisk lage strukturer ved å printe atomer på overflater, sier Kay Gastinger, leder ved NTNUs NanoLab. Maria Amelie

Tverrfaglige nano

I nanoteknologi kan man bygge opp ting helt fra bunnen og da blir ulike forskere nødt til å samarbeid på tvers av fagmiljøer. Tverrfagligheten i nano gjør at både kjemikere, fysikere, biologer, samt forskere innen medisin, materialteknologi og konstruksjonsteknikk er involvert i prosessen.

– Et eksempel på det er forskere som ved hjelp av nanokarakteriseringsmetoder undersøker algers unike evne til å absorbere lys. Alger er vannplanter som lever i svært mørke forhold i sjøen. Forskere tar dem opp og analyserer deres egenskaper for å bruke dem på solceller. Marinbiologi sammen med materialforskning kan lage bedre løsninger for lys og solceller, sier Gastinger.

Næringslivet er svært interessert i nano og reklamerer for nanomaterialenes mirakuløse innvirkning på våre liv. Forskningen prøver å dempe på science-fiction-auraen rundt nano og ikke love for mye. Nanoetikere retter fokus mot det ukjente og farlige ved nanopartikler som er verdt å undersøke.

Nano kan nemlig skade omgivelser hvis man for ivrig kaster seg ut i den nye teknologien. Man vet fortsatt for lite til å kunne utarbeide noe regelverk for nanopartikler.

Les også:

Innspill til nano-politikk

Pris til nanoforskere