DTU-forskere kan revolutionere nanoteknologien med 'LEGO'-metode
At manipulere lagdelte materialer ned til atomar skala kan nu blive muligt vha. redskaber så simple som tape, plastikfilm og optiske mikroskoper. Forskere i nanoteknologi fra DTU har netop udgivet et nyt studie, hvor de afslører en helt ny 'LEGO'-metode inden for feltet.
nanoteknologi lego grafen

Det nye atomare 'LEGO' kan principielt alt, men nu skal nanoteknologi-forskerne til at finde ud af, hvad de vil bygge. Det kunne eksempelvis være gennemsigtig, superhurtig elektronik og kommunikationsteknologi, miljøsensorer, infrarøde kameraer og højeffektive solceller, der kan klistres på enhver overflade som folie. (Foto: Shutterstock)

Det nye atomare 'LEGO' kan principielt alt, men nu skal nanoteknologi-forskerne til at finde ud af, hvad de vil bygge. Det kunne eksempelvis være gennemsigtig, superhurtig elektronik og kommunikationsteknologi, miljøsensorer, infrarøde kameraer og højeffektive solceller, der kan klistres på enhver overflade som folie. (Foto: Shutterstock)

Der sker nogle helt vanvittige ting inden for nanoteknologien for tiden.

Moderne mikroskoper gør det muligt at se de atomer, som alt stof er opbygget af.

Det kan endda lade sig gøre at skubbe dem rundt enkeltvist, men ligefrem at arrangere materiale på atomar skala er det nok de færreste, der havde troet nogensinde blev muligt.

Det kan det blive nu – med remedier fra køkkenet og hjemmekontoret.

Atomer indeholder ufattelige mængder information

Filosoffen Demokritos i det gamle Grækenland forestillede sig, at alt var bygget op af små, udelelige byggestene.

Kæmper som J. J. Thomson, Max Planck, Ernest Rutherford og Niels Bohr hjalp os til at forstå mere om atomet og dets egenskaber, og denne viden danner grundlag for en meget stor del af vores forståelse af naturen. 

I 1959 påpegede den amerikanske fysiker, Richard Feynman, at man midt i fascinationen af rumfarten og universets uendelighed burde se på 'uendeligheden', der optræder på den meget lille skala. 

Populært sagt: når man skriver med små bogstaver og bygger med små byggestene, er der plads til ufattelige mængder af information og kompleksitet på meget lidt plads.

Muligt at manipulere lagdelte materialer på atomart niveau

I dag er Feynmans vision virkeliggjort i moderne computerchips, hvor milliarder af transistorer arbejder fejlfrit sammen med fantastiske hastigheder og skaber hverdagens teknologiske mirakler såsom mobiltelefoner og computere samt moderne informationsteknologi.

Feynman funderede endda over, hvad der ville ske, hvis man kunne manipulere stof ned til atomart niveau.

I sin berømte tale 'Plenty of Room at the Bottom' fra 1959 finder jeg disse linjer:

»But we must always accept some atomic arrangement that nature gives us... What could we do with layered structures with just the right layers? What would the properties of materials be if we could really arrange the atoms the way we want them? They would be very interesting to investigate theoretically. I can't see exactly what would happen, but I can hardly doubt that when we have some control of the arrangement of things on a small scale we will get an enormously greater range of possible properties that substances can have, and of different things that we can do.«

LÆS OGSÅ: Data kan lagres med enkelte atomer

For det første måtte det have virket ekstremt ambitiøst og science-fiction-agtigt at ville manipulere lagdelte materialer ned til atomar skala.

For det andet er det gået op for mig, at det netop er det, vi kan i dag og har kunnet de sidste 3-4 år med de såkaldte todimensionale materialer!

For det tredje er de redskaber, man skal bruge, langt, langt mere simple, end nogen kunne have forestillet sig. Det er helt almindelige ting som tape, plastikfilm og optiske mikroskoper.

nanoteknologi lego nanocarbon

Øverst ses familien af nanocarbon-materialer. Fra venstre mod højre: kulstof 60-molekyler (0-dimensionelle), kulstofnanorør (1-dimensionelle), grafen (2-dimensionelt) og grafit (3-dimensionelt). Grafen kan man 'høste' fra grafit med tape-metoden, eller man kan dyrke det på kobber.
Nederst: I et elektronmikroskop kan man se de enkelte stykker grafen ligge med en elektrisk mikroprobe hængende over klar til at måle de elektriske egenskaber. Med et transmissions-elektronmikroskop, hvor elektronerne passerer igennem grafenlaget, kan man tydeligt se de enkelte atomer i grafenlaget, selv om afstanden blot er 0.14 nanometer mellem naboatomer. (Illustration: Timothy J. Booth, Jens Kling og Mikkel Klarskov)

Supermaterialet grafens exceptionelle egenskaber 

Lad mig først forklare, hvad det er for noget med 'de helt rigtige lag', som Feynman beskriver. 

Hele tricket er at bruge materialer, der i forvejen er lagdelte, og som med relativt lidt besvær kan findeles, indtil de kun er en atom tynde.

I den sammenhæng er en introduktion til materialet grafen nødvendig.

Grafen har været noget af en 'blockbuster' i forskerverdenen, siden to russere i Manchester i 2004 fandt ud af, hvordan man isolerede det – med kontortape! De blev belønnet med Nobelprisen i 2010 for deres opdagelse.

Grafenlagene er bundet sammen med de relativt svage van der Waals kræfter, og netop derfor kan man trække dem fra hinanden med håndkraft, uden at de går itu.

LÆS OGSÅ: Syv egenskaber gør grafen til mirakelmateriale

Grafen er et paradoksalt materiale. Det er på den ene side det vildeste supermateriale med egenskaber, der overgår alt, hvad vi før har set, og på den anden side den eneste bestanddel i noget så almindeligt som grafit.

Grafit består af todimensionelle lag

Millioner af tons grafit bliver hevet op af miner hvert år og bruges i bremseklodser, bildæk, stål og meget andet.

Når man findeler grafit, finder man ud af, at det består af todimensionale lag.

Disse lag er altså så tynde, som det er muligt1 eneste atom eller 0.3 nanometer.

Grafens kulstofatomer sidder i en hønsenetstruktur, hvilket er en af grundene til deres exceptionelle egenskaber:

  • højeste elektriske ledningsevne (mere end kobber)
  • højeste varmeledningsevne (mere end sølv og diamant)
  • højeste temperaturstabilitet (mere end wolfram)
  • højeste styrke (100 gange stærkere end hærdet stål)
  • højeste stivhed (mere end diamant)
  • mest bøjelige (kan bukkes til en nanometer skarp kant)
  • mest uigennemtrængelige i forhold til tykkelsen (holder tæt selv for hydrogen-atomer)

Kombination af ’rigtige lag’ skaber supermaterialer

Mens grafenopdagelsen har ført til mere end 200.000 videnskabelige artikler og intet mindre end 40.000 patenter, kom det for fem år siden bag på mange, at grafen ikke er enestående som materiale.

Tværtimod kendes der i dag flere tusinde lagdelte materialer med vidt forskellige egenskaber; isolatorer, superledere, halvledere og med alle afskygninger af elektriske og optiske egenskaber, man kan ønske sig.

Dette er de ’helt rigtige lag’, som Feynman snakkede om tilbage i 1959.

Det er netop kombinationen af forskellige lag med forskellig båndstruktur, som er essentiel for moderne elektronik og opto-elektronik – LED, OLED, elektronik, displays, solceller – og kontrol af disse materialer på nanoskala er en kæmpe udfordring.

Vi har løst billet til et slaraffenland af naturligt atomtynde materialer. Nogle af dem er gamle kendinge som for eksempel molybdæn, sulfid og bornitrid, der ligesom grafit allerede bruges industrielt til mange forskellige anvendelser, som for eksempel smøremidler. 

Alt, hvad der mangler, er en metode til at kombinere de forskellige lag, frit som vi vil.

Atomare byggesæt er overraskende simple

Udfordringen i at kombinere de atomtynde materialer ligger i at lægge så tynde film sammen. Som illustration på udfordringen er køkkenfolie 30.000 gange tykkere end grafen, og selv det kan være svært at håndtere.

Man kan nu sagtens lægge tynde film sammen uden de store problemer. Det hedder laminering. 

Så nu mangler vi bare at finde en måde at laminere lag, der er 30.000 gange tyndere end køkkenfolien; og hvis først det krøller, kan man godt starte forfra.

Det viser sig dog, stik mod sund fornuft, at være simpelt. 

Det er noget af en overraskelse, at trods investeringer på én milliard kroner i DTU Danchip – et af Europas bedste laboratorier til mikro- og nanofremstilling – er de centrale værktøjer til at samle materialer atomlag for atomlag blot tape, en varmeplade, et par specielle polymerfilm og et godt optisk mikroskop.

Der skal desuden bruges en mikromanipulator til at flytte rundt på lag og værktøj i forhold til hinanden. Men det er alt sammen udstyr, man kan skaffe for under 10.000 kroner på Ebay. 

LÆS OGSÅ: Nanoteknologi for begyndere

At gøre det perfekt, uden at der kommer vand og organisk forurening ind imellem de ultratynde lag, så de gode elektriske egenskaber bibeholdes, kræver dog mere end udstyr.

Vi er nødt til at forstå, hvordan de ultratynde materialer og vores 'tape' arbejder sammen for at lave fejlfri samlinger.

Problemer med at laminere lagene

Verden over kæmper forskere med at 'laminere' atomlagene – og danne 'van der Waals heterostructures', som har fået deres navn, netop fordi de holdes sammen af van der Waals-kræfter, og altså ikke kemiske bindinger som almindelige tre-dimensionelle materialer.

Vi har på DTU brugt nogle år på at regne ud, hvordan det skal gøres, sådan at vi kan opbygge kredsløb af den højeste kvalitet, som virker hver gang.

Vi er for eksempel interesserede i at bruge grafen som en ’ballistisk leder’– det vil sige en slags transistor, hvor elektronerne som kugler på et perfekt billardbord bevæger sig i lige linjer og kun skifter retning, når de rammer en væg eller en anden kugle – med andre ord en 'bane', hvor elektronerne ikke møder forhindringer.

Det kræver, at grafen pakkes ind i et andet, beskyttende 2D-materiale kaldet bornitrid. Og her kommer lamineringsprocessen ind i billedet.

nanoteknologi nanocarbon

Illustration af, hvordan atomlag kan bindes sammen med de allestedsværende van der Waals-kræfter, ved hjælp af simple remedier som et mikroskop, en mikromanipulator, en glasplade, en polymerstak bestående af Polydimethylsiloxane (PDMS) og polypropylen carbonat (PPC) samt tape. Tricket er at kontrollere temperaturen, så polymeren klistrer, når den skal, og slipper, når den skal – og for at hjælpe med at skubbe urenheder væk fra grænselagene. (Illustration: Martin Kirchgassner)

Temperaturen styrer nano-hånden

Om 'Hot pick-up'-metoden

Tape-metoden bruges til at skille krystallerne ad og lægge dem ned på en silicium-skive.

I mikroskopet kan vi bruge de små krystallers farve til at se, hvor tykke de er.

Vi har patenteret et systemet GMAP til at identificere store, ’lækre’ flager af grafen og bornitrid hurtigt og automatisk.

Nanohånden er en glasplade med en tynd polymerfilm, der har en glasovergang ved omkring 40 grader.

Det betyder, at den bliver væsentligt mere flydende, når temperaturen øges til for eksempel mellem 50 og 60 grader, og dermed kan danne et tæt og stærkt bånd til krystallerne (ligesom termisk lim i en limpistol).

Dette udnytter vi til at bestemme, hvornår de tynde lag bliver samlet op, og hvornår de kan lægges ned igen; pick-up and drop-down, kalder vi det – se illustationen nedenfor.

Temperaturen bruger vi ikke bare til at ’switche’ klisterkræfterne mellem nanohånden og nanokrystallerne. Når vi hæver temperaturen til 110 grader, bliver urenhederne og vandmolekylerne så mobile, at lamineringsprocessen presser alt ud – de tynde lag sørger selv for at rense sig.

Vi har undersøgt de laminerede lag med elektronmikroskop, og de er fuldstændigt rene.

 

Min forskergruppe har arbejdet med nanomanipulation i mange år.

Vi har lavet bittesmå nanopincetter, der kan samle ting op som krabbekløer.

Dengang talte vi meget om, hvor smart det ville være, hvis det ikke var en mekanisk gribekraft, men en klisterkraft vi brugte.

Altså hvis vi kunne lave en nanofinger, der kan blive mere eller mindre klistret efter behov, så man kan samle op og lægge ned, som det passer en uden at skulle bruge en mekanisk kræft, som risikerer at knuse objektet.

Det var derfor en udsøgt fornøjelse, da to af mine ph.d.-studerende, Bjarke Jessen og Filippo Pizzocchero, efter et studieophold på otte måneder i en af verdens førende grupper ved Columbia Universitet i New York, præsenterede deres egen betydeligt mere driftsikre variant af de amerikanske forskeres metode til at samle todimensionale lag i stakke.

Vi har netop udgivet en artikel i Nature Communications, og her kalder vi metoden ’Hot pick-up’, hvilket har ført til en del (tilsigtet) morskab på internettet.

En tredje ph.d.-studerende, Lene Gammelgaard, kom senere til teamet og hjalp med at perfektionere metoden.

Mange andre grupper arbejder med van der Waals heterostrukturer, og især kan Manchester-gruppen, som også i dag ledes af Nobel-stjernerne Geim og Novoselov, bygge komplicerede strukturer op med mange forskellige lag– eksempelvis kvantetunnelings transistorer og lysdioder.

LÆS MERE: Ny nanoteknologi bekæmper tæmmermænd og hårtab

Dette er uhyre svært og tidskrævende, og det kræver megen øvelse – så det har vi forsøgt at ændre på. 

Vi håber på, at vores ’hot-pickup’-metode kan hjælpe mange flere i gang med at bygge atomare strukturer af højeste kvalitet og føre den ultimative nanodrøm ud i livet såvel som samfundet.

 

nanoteknologi lego nanocarbon

Eksempler på elektriske kredsløb fremstillet ved først at opbygge van der Waals heterostrukturer af atomare lag og dernæst tegne elektriske kontakter.
Til venstre ses teststrukturer til at måle grafens elektriske egenskaber, der kan blive 'ballistiske', hvis lagene er helt uden urenheder. De små firkanter er henholdsvis fem og ti mikrometer store.
Til højre ses fire mere komplekse teststrukturer. De tre største er en mikrometer brede baner med seks, syv og ti tilledninger til at måle blandt andet kontaktmodstand. Disse strukturer er fremstillet af Lene Gammelgaard og Bjarke Jessen, DTU Nanotech. (Illustration: Lene Gammelgaard og Bjarke Sørensen Jessen)

Potentialet for det ekstreme byggesæt skal undersøges

Det nye atomare 'LEGO' kan principielt alt. Men hvad skal vi egentlig bygge?

Det er et rigtigt godt spørgsmål.

Vi har aldrig nogensinde før været i stand til at programmere grundstoffer på dette niveau. For blot ti år siden havde vi aldrig haft med todimensionale materialer at gøre, og så viser der sig endda at være ikke ét eller to, men tusinder forskellige.

Det er en ny verden, og det kommer til at tage mange år, før vi finder ud af, hvad vi kan med dette ekstreme byggesæt, og hvilken rolle det kommer til at spille for vores forståelse af naturens mindste processer og for vores hverdag.

Vi skal naturligvis væk fra bittesmå (0.1 mm) flager og tape hen ad vejen – men det første trin er overhovedet at forstå samspillet mellem de atomtynde lag, som Feynman også pegede på.

Når vi når dertil, er det så heldigt at mange af disse lag kan fremstilles i større stykker uden at gå på kompromis med kvaliteten. Vi kan for eksempel dyrke enkeltkrystaller i millimeterstørrelse allerede ved at dekomponere metangas på en overflade af kobber.

nanoteknologi lego grafen

Produktion af 2D-materialer kan ske ved CVD-processer (chemical vapor deposition), hvor metangas omdannes til grafen på kobber ved høje temperaturer. Grafendyrkningseksperten Birong Luo fra DTU Nanotech har specialiseret sig at lave mm-store enkeltkrystaller af grafen. Til venstre ses et stykke kobberfolie, hvor de hvide pletter er grafen. Grafenkrystallen til højre indeholder omkring 3 x 10^14 kulstofatomer. (Illustration: Birong Luo)

Jeg kunne nævne ting som gennemsigtig, superhurtig elektronik og kommunikationsteknologi, miljøsensorer, infrarøde kameraer og højeffektive solceller, der kan klistres på enhver overflade som folie, men selv disse eksempler afspejler, at min fantasi ikke rækker langt nok.

Som forsker på et af verdens bedste tekniske universiteter sætter jeg naturligvis min lid til, at de studerende, jeg underviser, er den generation, der for alvor kommer i gang med at knække koden.

Videnskab.dk Podcast

Lyt til vores seneste podcast herunder eller via en podcast-app på din smartphone.

Ny video fra Tjek

Tjek er en YouTube-kanal om videnskab henvendt til unge.

Indholdet på kanalen bliver produceret af Videnskab.dk's videojournalister med samme journalistiske arbejdsgange, som bliver anvendt på Videnskab.dk.

Ugens videnskabsbillede

Se flere forskningsfotos på Instagram, og læs om, hvorfor denne 'sort hul'-illusion narrer din hjerne.

Hej! Vi vil gerne fortælle dig lidt om os selv

Nu hvor du er nået helt herned på vores hjemmeside, er det vist på tide, at vi introducerer os.

Vi hedder Videnskab.dk, kom til verden i 2008 og er siden vokset til at blive Danmarks største videnskabsmedie med over en halv million brugere om måneden.

Vores uafhængige redaktion leverer dagligt gratis forskningsnyheder og andet prisvindende indhold, der med solidt afsæt i videnskabens verden forsøger at give dig aha-oplevelser og væbne dig mod misinformation.

Vores journalister fortæller historier om både kultur, astronomi, sundhed, klima, filosofi og al anden god videnskab indimellem - i form af artikler, podcasts, YouTube-videoer og indhold på sociale medier.

Vi stiller meget høje krav til, hvordan vi finder og laver vores historier. Vi har lavet et manifest med gode råd til at finde troværdig information, og vi modtog i 2021 en fornem pris for vores guide til god, kritisk videnskabsjournalistik.

Vores redaktion gør en dyd ud af at få uafhængige forskere til at bedømme betydningen af nye studier, og alle interviewede forskere citat- og faktatjekker vores artikler før publicering.

Hvis du går rundt og undrer dig over stort eller småt, vil vi elske at høre fra dig og forsøge at give dig svar med forskernes hjælp. Send bare dit spørgsmål til vores brevkasse Spørg Videnskaben.

Vi håber, at du vil følge med i forskningens forunderlige opdagelser her på Videnskab.dk.

Få et af vores gratis nyhedsbreve sendt til din indbakke. Du kan også følge os på sociale medier: Facebook, Twitter, Instagram, YouTube eller LinkedIn.

Med venlig hilsen

Videnskab.dk