nanoteknologi

På nanoskala dominerer den elektrostatiske kraften over gravitasjonskraften, på grunn av at massen er liten. Dette gir fenomener som kapillaritet, hvor en væske kan bevege seg mot gravitasjonen på grunn av tiltrekkende elektriske krefter mellom væsken og kapillaren.

Små partikler som kolloider unngår å falle ned til bunnen (sedimentering) fordi gravitasjonskraften blir ubetydelig sammenlignet med de tilfeldige termiske bevegelsene (også kalt diffusjon eller brownske bevegelser).

Ved nanoskalaen er kvantemekaniske effekter fremtredende. Klassisk fysikk er derfor ikke tilstrekkelig til å beskrive alle nanostrukturer.

For eksempel vil kvantetunnelering gjennom MOSFET-transistorer gi varmeutvikling og dermed forårsake energitap. Tunnelering er også den mekanismen som noen tunneleringmikroskoper baserer seg på. Kvanteprikkers båndgap endres ut ifra hvor stor kvanteprikken er siden størrelsen påvirker hvor tett energinivåene i kvanteprikken ligger. Ledningsevnen til karbonnanorør er basert på aksen de er sammenrullet på, fordi dette påvirker hvilke bølgefunksjoner elektronet kan ha.

Jo mindre en struktur er, jo større blir overflaten i forhold til volumet. Effekten av stor overflate finner man også i naturen. Gekkoer har føtter med nanostrukturert overflate som lar dem klatre på vegger. Nanostrukturene øker kontaktflaten mellom føttene og underlaget betraktelig. Dette fører til et stort antall van der Waals-bindinger som holder gekkoen festet til underlaget.

Atomer på overflaten til en struktur har andre egenskaper enn atomer inne i strukturen, fordi de har et ufullstendig antall bindinger. Dette gir blant annet smeltepunktsreduksjon fordi færre bindinger trenger å brytes per atom. Det kan også gi økt katalytisk aktivitet fordi de ustabile overflateatomene danner midlertidige bindinger med reaktantene. Dette påvirker hastigheten til kjemiske reaksjoner som foregår med reaktantene.

Høy temperatur kan ødelegge nanostrukturerte overflater.

På grunn av den veldig store overflaten, og fordi overflateatomene har ufullstendig antall bindinger, er disse strukturene ustabile. Ved å øke temperaturen vil atomene få nok termisk energi til å kunne flytte seg på en slik måte at antallet manglende bindinger, og dermed det totale overflatearealet, reduseres. Dette kan ødelegge egenskapene man ønsket å ha på overflaten.

Et lignende fenomen er utilsiktet sintring av nanopartikler i et stoff som er ment å fungere som en katalysator. Ved høy temperatur vokser nanopartiklene sammen, hvilket reduserer overflaten til den nye, større nanopartikkelen. Dette reduserer nanopartiklenes katalyserende egenskaper, det vil si deres evne til å påvirke hastigheten til kjemiske reaksjoner i stoffet. I molekylære maskiner benyttes termiske vibrasjoner til å bevege komponenter.

Nanomaterialer kan brukes til mye forskjellig, fra å lage selvrensende overflater til å lage kosmetikk.

Tynnfilmer brukes for å lage tynne, bøyelige solceller, mens kvanteprikker brukes i mellombåndsolceller som har høyere virkningsgrad enn vanlige solceller. Kvanteprikker benyttes også i QLED TV-er for å redusere energiforbruket og gi et bedre fargespekter.

Kolloider har ofte størrelse innenfor nanoskalaen og finnes i en rekke produkter, som iskrem, sminke, solkrem, melk, tannkrem og maling.

Katalysatorer benytter ofte nanopartikler eller nanoporøse materialer, som zeolitter, til å maksimere overflatearealet og dermed øke aktiviteten.

Karbonnanorør brukes i kompositter for å øke styrke og slitasjemotstand, i polymerer for å øke elektrisk og termisk ledningsevne og i maling for å øke lysabsorbsjon.

Nanoelektronikk brukes for å lage stadig mindre elektronikk.

Transistorer i dag kan lages i nanoskala ved en produksjonsmetode som kalles nanolitografi. Transistorene nærmer seg den teoretiske grensen for hvor små de kan bli, og nanoteknologi brukes også til å utvikle nye former for alternativ datalagring for å overkomme denne grensen.

Kvanteprikker og nanodiamanter kan også brukes til å lage kvantedatamaskiner. Nanoelektronikk brukes videre i fotonikk, kvanteoptikk og optoelektronikk.

For eksempel kan man lage metamaterialer, slik som fotoniske krystaller. Ved å tilpasse nanostrukturen kan man bestemme hvilke bølgelengder av lys som kan passere.

Nanoelektronikk er en viktig drivkraft i utvikling av tingenes internett gjennom produksjon av sensorteknologi.

Nanomedisin brukes til å utvikle nye behandlings- og diagnostikkmetoder. Mange av disse er i forskningsfasen.

Eksempler på forskningsområder er målrettet kreftbehandling, biosensorer og vevsteknologi.

Innenfor målrettet kreftbehandling forsøker man blant annet å bruke nanopartikler til å levere medisinen. Nanopartiklene kan på grunn av sin lille størrelse transporteres gjennom de minste kapillærårene og lettere passere cellemembranen. De kan blant annet passere blod-hjernebarrieren, som ellers er vanskelig å transportere medisiner gjennom. Det forskes også på å bruke nanoroboter til å levere medisin målrettet.

Nanoteknologi kan også brukes til å lage bedre biosensorer. Det vil si sensorer som er mindre, mer presise og som kan måle kontinuerlig, for eksempel in vivo måling av blodsukker. Der det ikke er hensiktsmessig eller nødvendig med målinger i kroppen, kan man ta prøver og analysere dem in vitro på en såkalt lab-on-a-chip.

Innenfor vevsteknologi bruker man nanoteknologi til å lage syntetisk vev, for eksempel ved å bruke nanocellulose som stillas for cellene.

Nanomaterialer er forholdsvis nytt, og det mangler derfor komplette data på den toksikologiske effekten på mennesker, dyr og natur. Av den grunn praktiseres forskning, utvikling og produksjon etter føre-var-prinsippet.

En kompliserende faktor er at opptak i kroppen avhenger av form og størrelse på nanomaterialene, slik at for eksempel en nanotråd kan ha helt andre toksikologiske egenskaper enn en nanopartikkel av nøyaktig de samme grunnstoffene. Hvert individuelt nanomateriale må derfor vurderes, og til dette benytter man gjerne fem ulike punkter.

• Tilgjengelighet. Dette beskriver hvordan og hvor lett nanomaterialet kan komme inn i en organisme. Siden nanomaterialer er veldig små kan de passere gjennom huden og slimhinnene. Opptak kan skje gjennom hud, luftveier og fordøyelse. Opptaksmekanismen er avhengig av størrelse og form. Ved opptak gjennom luftveiene vil for eksempel de minste nanopartiklene i stor grad sette seg fast på slimhinnene i nesehulen, mens de største nanopartiklene setter seg fast lenger ned i lungene.
• Persistens. Dette beskriver hvor lenge nanomaterialet forblir i organismen før det metaboliseres eller skilles ut. Fibrøse nanomaterialer, som asbest, kan for eksempel bli værende lenge i lungene.
• Prosessering. Dette beskriver hvordan organismen håndterer nanomaterialet. Opptak i lunger kan for eksempel overføres til blodet gjennom alveolene. Opptak i nesehulen kan være spesielt farlig fordi nervecellene i nesen, som er ansvarlig for luktesansen, har en direkte tilknytning til hjernen.
• Modifisering. Dette beskriver hvordan nanomaterialet påvirker biologiske funksjoner i organismen og gir opphavet til den toksikologiske effekten. Nanomaterialer er ofte veldig reaktive, på grunn av den store overflaten relativt til volumet. Konsekvensene kan være alt fra betennelse, med ulik alvorlighetsgrad, til kreft.
• Utskillelse. Nanomaterialet, eller nedbrytelsesproduktene fra det, kan skilles ut av kroppen på ulike måter. I lungene kan nanomaterialer som har satt seg på slimhinnene bli transportert opp til svelget ved hjelp av flimmerhår. I fordøyelsen kan nanomaterialer enten tas opp eller passere gjennom kroppen. Det som tas opp havner i blodet. Nanomaterialer i blodet kan skilles ut via nyrene og urinveiene.

Produksjon av nanomaterialer foregå i et strengt kontrollert miljø for å unngå forurensninger. Et støvkorn i en mikrobrikke kan være katastrofalt for dens funksjon ettersom støvkornet er mye større enn komponentene i brikken. Arbeid med nanomaterialer foregår derfor ofte i renrom.

Å produsere identiske nanomaterialer er krevende. Når man for eksempel produserer nanopartikler blir ikke alle partiklene like store. For eksempel kan nyproduserte nanopartikler ha en fordeling hvor 80% av partiklene er mellom 10 og 20 nm i diameter, 10% er mindre enn 10 nm og 10% er større enn 20 nm.

Som regel ønsker man én nøyaktig størrelse på nanopartiklene, og utfordringen går derfor ut på å gjøre størrelsesfordelingen smalere. Det vile for eksempel vært en stor forbedring om 95% av partiklene var mellom 10 og 20 nm. Det samme gjelder for nanotråder. Da ønsker man ikke bare lik diameter, men også lik lengde på trådene.

Tynnfilmer, og andre to-dimensjonale nanomaterialer, har også utfordringer. Tynnfilmer kan sprekke om de ikke lages på riktig måte. Dette skjer hvis tynnfilmen har veldig ulik krystallstruktur sammenlignet med underlaget, eller hvis underlaget har defekter.

Mange tynnfilmer har også en kritisk tykkelse. Hvis man overskrider denne tykkelsen kan det forekomme sprekkdannelse. Grafén er todimensjonalt nanomateriale som har fått mye oppmerksomhet fordi det har enorm mekanisk styrke og lav elektrisk motstand. Grafén består av ett lag karbonatomer, bundet til hverandre i et bikubemønster.

Hvis man kunne laget store «ark» av grafén ville det hatt mange og viktige anvendelser, men det har ikke latt seg gjøre enda. Dette skyldes blant annet høy sensitivitet for urenheter og den høye reaktiviteten til kantene på et grafén-molekyl (altså endene hvor karbonatomene mangler naboatomer).