Myke materialer: Plastelina er et eksempel på et mykt materiale som lett lar seg forme. (Foto: Colourbox)

HVORDAN VIRKER: NANOSTRUKTUR I MYKE MATERIALER

Leter etter helt nye måter å sette sammen materialer på

Forskning

  • I Norge gjøres studier på myke materialer ved NTNU, Universitetet i Oslo og ved Institutt for energiforskning.
  • En viktig europeisk fasilitet er European Synchrotron Radiation Facility (ESRF) i Grenoble i Frankrike.
  • I Lund i Sverige bygges nå i disse dager to store fasiliteter for å studere nanostrukturer på denne måten, den ene er Max IV-laboratoriet for røntgenstudier, og den andre er European Spallation Source (ESS) for nøytronstudier.
  • Totalinvesteringene i byggingen av disse laboratoriene i Lund er på imponerende 16 milliarder kroner, og forskning på myke materialer er utpekt som et av de viktigste satsingsområdene for virksomheten i Lund.
  • I Norge er investeringer i myke materialers vitenskap beskjeden sammenlignet med denne delen av satsingen i Lund.

Vi er vant til å tenke på materialer som gasser, væsker eller faste stoffer. Men hva er imellom væsker og faste stoffer? Noen vil svare væsker med svært høy viskositet, men det er ikke alltid slik.

Myke materialer er noe midt imellom. Når du dytter fingeren inn i smør, salve eller leire, forandrer du formen på materialet. Det flyter ikke tilbake som en væske ville ha gjort. De er faste og flytende på samme tid.

Hva så, kan man spørre.

Les også:  Lager flydrivstoff av CO2, vann og sollys

Myke materialers­ fysikk

Vi har brukt myke materialer i årtusener uten å tenke på at det var noe spesielt med dem. Et godt eksempel er leire. Nå begynner vi å bli klar over at det er en liten skattkiste som ligger og venter på å bli utnyttet etter hvert som vi lærer mer om denne store og uensartede materialgruppen.

Det er i dag en økende forståelse av at de myke fenomenene vi observerer i naturen, fra mineraler til biomaterialer, vil åpne opp for helt nye retninger i materialteknologien.

For eksempel det å bygge opp nye materialer fra selvorganiserende nanopartikler, gir dem helt andre egenskaper enn de vi har tilgang til i dag.

Les også: – Hvis vi kunne brette ut poreveggene i fem gram aerogel, ville det dekke Lerkendal stadion

Nano påvirker makro

Leire er et eksempel på et materiale som kan ha forskjellige egenskaper under ulike betingelser.

Egenskapene til materialet i makroskala, som stabilitet, flyt og andre, bestemmes av nanostrukturen til mineralpartiklene.

Vi kjenner så altfor godt forskjellen på kvikk og fast leire. Forskjellen er ikke synlig for øyet, men i nanoskala handler det om at det salte vannet mellom leirpartiklene, som stammer fra saltvannet leira ble sedimentert i, over tid er erstattet med ferskt vann. Det har påvirket bindingskreftene mellom partiklene og gjør at leira har mye lettere for å kollapse og bli flytende når den utsettes for mekanisk påvirkning.

Myke materialers vitenskap har fått materialteknologer til å lete etter måter å sette sammen helt nye materialer fra nanonivå slik at de kan gi oss nye makroegenskaper.

Les også: Har snudd aldringen i cellevev

Gamle kunster: Leire er et mykt materiale som vi har brukt i årtusener uten å tenke på at det var noe spesielt med den. Colourbox

Selvorganisering

Når vi skal bygge nye materialer med nye egenskaper fra partikler i nanoskala, kan ikke det gjøres bit for bit. Siden måten de settes sammen på og sitter sammen på, kan ha betydning, må partiklene kunne organisere seg selv. Selvorganisering er ikke noe ukjent fenomen i naturen. Krystallisering er en måte naturen selvorganiserer seg til mineraler på, ved hjelp av termisk diffusjon.

Teknologene ser også på andre former, som også er inspirert av prosesser i naturen. Biologien er det ultimate eksempelet på selvorganisering.

På lignende måte som en bakterie kan bevege seg fordi den omvandler kjemisk energi til mekanisk, kan man også få partikler til å bevege seg. Partikkelen kan ha en eller annen form for mekanisme eller energi i seg som kan omformes til mekanisk energi og dermed til individuell partikkelbevegelse, men det trengs en ytre påvirkning for å få den i gang.

Det kan være termiske, kjemiske, elektromagnetiske eller andre triggere som får det til å skje. På den måten kan man få store mengder partikler til å finne sammen på bestemte måter for å danne nye materialer med designet funksjonalitet.

En annen måte å bevege partikler på er å få dem til å vekselvirke med et ytre felt (for eksempel elektromagnetisk) på liknende måte, men at det er det ytre feltet som står for energien­ partiklene omsetter til bevegelse, og som gjør at de kan selvorganisere.

Les også: Tidenes tørreste materiale

Selvorganisering: En måte å bevege partikler på er å få dem til å vekselvirke med et ytre felt (for eksempel elektromagnetisk), men at det er det ytre feltet som står for energien som partiklene omsetter til bevegelse og som gjør at de kan selvorganisere. Figuren viser et eksempel på selvorganisering av Physics Today

Lappeteppe

Det er mange måter å styre hvordan materialer selvorganiserer.

En måte å gjøre det på er å sørge for at partiklene («byggeklossene») har en overflate som består av flere enheter med forskjellige egenskaper, en form for mosaikkstruktur, eller på godt norsk et «lappeteppe».

Slike mosaikkpartikler er et raskt voksende forskningsområde internasjonalt, og de kalles «patchy»-partikler. Slike mosaikklapper vil kunne tiltrekke eller frastøte hverandre, og slik kan de styre hvordan partiklene samler til en bestemt struktur.

Dermed bestemmes materialegenskapene i makroskala, slik som optiske, mekaniske, elektriske, magnetiske osv. egenskaper. Slike partikler kan for eksempel fremstilles ved å påvirke dem i et elektrisk felt, såkalt elektroformasjon.

Materialer som er skapt ved at nanopartikler er manipulert på ulike måter til å finne sammen i større strukturer, har gjerne svake fysiske bindinger mellom partiklene som om ønskelig kan herdes etter­på. Det gjør at materialet de danner ofte er mykt, og det er akkurat det man ønsker seg.

Forskningen på dette nye området innen materialteknologien er i startgropa, og antall bruksområder er det bare fantasien som begrenser.

Les også: – Det er nærmest som alkymi

Nanostruktur: Leirpartikler kan være Scientific Reports

Roboter og organer

Myke materialer i roboter høres kanskje rart ut, men det er mange måter å få slike til å skape bevegelser.

Det kan på sikt være mulig å utstyre roboter med kunstige muskler som er vesentlig billigere og enklere enn å bruke elektromotorer.

Et enkelt eksempel er å bruke gummi, sand og undertrykk. En gummipølse fylt med sand vil være myk når den inneholder luft, men bli hard når luften pumpes ut og sandpartiklene låser seg til hverandre.

Vi kjenner dette fenomenet fra hard vakuumpakket kaffe. Ved å veksle mellom hard og myk tilstand er det mulig i designe komponenter som beveger seg, eller som kan fungere som gripemekanismer i roboter.

Innen medisinen forskes det også mye på nye materialer som er bygget opp med selvorganisering. Det er interessant å bygge biokompatible materialer som kan fungere som stillas hvor celler kan feste seg, slik at de kan bygge nye eller reparere skadede deler av organer.

Etter hvert som cellene formerer seg, går dette myke stillaset i oppløsning, og vevet kan igjen bli friskt.

En annen måte å utnytte slike materialer i medisinen på, er å bruke dem til målrettet medisinering. Det er laget medisin­holdige materialer som kan sprøytes inn i kroppen, f.eks. i en kreftsvuls, der går de gradvis i oppløsning og slipper ut medisinen over dager eller uker.

Les også: Norske fysikere vil gjøre PC-oppstarten lynkjapp

Myk robothånd: Et materiale som kan veksle mellom å være mykt eller hardt, kan brukes til å gripe nær sagt hvilket som helst objekt på en skånsom og kontrollerbar måte. Ill./kilde: PNAS

Ikke så enkelt

Når forskerne jobber med nye materialer som bygges opp av nanopartikler, er det ikke bare å ta en titt i mikroskopet for å se hva som foregår.

Slike partikler og strukturene de danner er oftest for små. For å forstå hvordan mekanismene i nanoskala påvirker makroegenskapene til materialet, må man observere hva som skjer. Teknologien som brukes er røntgeninterferens eller nøytroninterferens.

Ved å belyse materialet med røntgenstråler eller nøytronstråler som har bølgelengde på under én nanometer kan man observere interferensmønsteret som dannes når strålen har gått gjennom materialet.

Kilder: Professor Jon Otto Fossum og Professor II Paul Dommersnes / Institutt for fysikk, NTNU

Les også:

Dette er teknologier som kan fjerne CO2-utslipp

Norske forskere avslører hva som skjer inne i reaktorer

Selvrensende fasade fjerner bilforurensning