Nanoteknologi

I dette storleiksområdet er strukturane for store og inneheld for mange partiklar til å bli forklart ut frå enkle atommodellar. Samtidig er dei for små til å bli forklart av klassiske teoriar, slik som klassisk termodynamikk, klassisk elektromagnetisme og newtonsk fysikk. Ein studerer difor nanoteknologi frå to kantar; anten nedanfrå, ved å ta utgangspunkt i molekylær kjemi og fysikk for så å byggje strukturane større og meir komplette, eller ovanfrå, ved å ta utgangspunkt i klassiske, makroskopiske modellar, men med tillegg av kvanteeffektar og andre brot på makroskopisk naturvitskap.

Nanoteknologi er tverrfagleg av natur, og uttrykket vert nytta i fysikk, kjemi, biologi, medisin og materialvitskap. Desse felta har alle kvar for seg over lengre tid drive med forsking og bruk på nanonivå. Dei siste åra er alt nanorelatert samla i eitt uttrykk på tvers av faggrenser. Nytt er også ei dreiing av fokus frå grunnforsking til praktisk, anvendt vitskap.

I dei seinare åra har interessa for og arbeidet med nanoteknologi auka monaleg. Mykje innan eksisterande teknologi må ned på nanonivå for å kunne bli utvikla vidare, samtidig som det finst ei heil rekkje nye typar nytte.

Det finst fleire eksempel på nanoteknologi som er i bruk i dag:

• Innan elektronikken har ein til no operert på mikronivå (altså over 100 nm), men i kampen for å gjere komponentane snøggare og strukturane mindre, har ein gått over til nanonivå. Dei nyaste transistorane har no ein linjestorleik på 22 nm (Mai 2011).
• Genteknologien innan biologi og medisin, som er eit felt i stor vekst, opererer naturleg på nanonivå.
• Kjemien og materialvitskapen har i lengre tid vore i stand til å utforma stoff og strukturar nesten atom for atom og molekyl for molekyl. Det nye no er at teknikkane er blitt betre og strukturane som kan lagast større og meir kompliserte.

Årsaka til at nanonivået er så interessant er at mange strukturar i naturen er nettopp i denne storleiksordenen:

• Enkeltatom, 0.1 nm
• Magnetiske domene
• Krystalldomene
• Bølgjelengda til synleg lys, 400-700 nm.
• Virus, vanlege virusstrukturar er mellom 20 og 400 nm.
• Cellekjerner og andre organellar. Ei celle i menneskekroppen er normalt mellom 10-100 µm, dvs. 10000 - 100000 nm og langt over nanoområdet, men organellene er på nanonivå.

I tillegg finst fenomen som opptrer berre på nanonivå

• Kvanteprikkar
• Molekylære skytlar
• Coulomb-blokade
• Kvantisert kontaktmotstand
• Kvantekablar

Det er fleire forskingsmiljø som nyttar nanoteknologi i dag og viser veg for framtidig bruk. Teknologien vert nytta fleire stadar enn det som ein kan leggje i ei enkel liste. Det må òg nemnast at teknologien vert nytta i mange ulike stadium. Noko finst allereie, men kan gjerast betre med nanoteknologi, andre er heilt nye (og kan dermed risikere å aldri bli noko av).

Nytte innan fysikken

Innan fysikken nyttar ein i hovudsak nanoteknologi i fire emne: elektronikk, magnetisme, optoelektronikk og mekanikk.

• Datamaskiner og annan elektronikk, t.d. basert på andre typar halvleiarar enn silisium, eller basert på svake kontaktar i superleiarar
• Solcellepanel
• Optiske sensorar
• Stoff som kan endre optiske eigenskapar, t.d. skjermar som opprettheld biletet også etter at straumen er avslegen.
• Nanostrukturar som forsterkar mekaniske eigenskapar
• Nanomagnetar som endrar elektriske og magnetiske eigenskapar
• Kvantedatamaskiner

Nytte innan kjemien

I kjemien er fokus på utforming av nye typar material og på auka produktivitet i kjemiske reaksjonar.

• Snøggare kjemiske reaksjonar, pga. auka reaksjonsoverflate
• Nye stoff med betre mekaniske eigenskapar, t.d. polymerar og karbon-nanorøyr
• Krystallar med nanostrukturar som vertsstad for kjemiske reaksjonar
• Krystallar med nanostrukturar til lagring av t.d. hydrogen
• Gass-sensorar

Nytte innan medisin

Ein tenker seg at medisin skal nytte teknologien som er utvikla frå kjemi og fysikk. Nytta kan delast i to grupper: i og utanfor kroppen. Bruk av nanoteknologi utanfor kroppen vil bli viktigast i første omgang.

Nytte utanfor kroppen:

• Betre og snøggare kjemisk medisinproduksjon
• Snøggare datamaskiner til diagnostikk i t.d. MR
• Separering av stoff på nanonivå til diagnostikk
• Nøyaktige sensorar utanfor kroppen, t.d. av magnetfelt i hjartet.

Nytte inni kroppen:

• Mindre sensorar som kan trenge inn utan å gjere skade
• Medisin eller sporstoff som kan trenge inn i dei minste blodårer eller inn i celler.

Det som i dag vert kalla nanoteknologi vart første gong omhandla i ein tale som Richard Feynman (There's Plenty of Room at the Bottom) heldt i 1959. Sjølve omgrepet vart først definert i 1974 i eit skriv av Norio Taniguchi (N. Taniguchi, On the Basic Concept of 'Nano-Technology', Proc. Intl. Conf. Prod. Eng. Tokyo, Part II, Japan Society of Precision Engineering, 1974.)

I 1980-åra utvida Dr. Eric Drexler omgrepet mykje og dette vart skildra i bøkene Engines of Creation: The Coming Era of Nanotechnology og Nanosystems: Molecular Machinery, Manufacturing, and Computation, (ISBN 0-471-57518-6). Vår forståing av omgrepet kjem i stor grad frå Drexler.

I dag er nanoteknologi nytta i dei fleste naturvitskaplege forskingsmiljø, og mange meiner at dette vil gjere mykje meir med verda enn den industrielle revolusjonen eller informasjonsteknologien gjorde i dei førre hundreåra.

• Høgskolen i Vestfold

• Link til presentasjon frå Intel om 22 nm transistorar i dataprosessorar

Referansar