Nanoteknologi og nanoscience – den næste industrielle revolution?
Nanoteknologi handler om noget, der ufattelig småt. Men hvad er nanoteknologi helt præcist? Og hvad kan vi bruge det til? Tre danske forskere gør dig klogere på teknologien.

Lycurgus-bægeret stammer fra det 4. århundrede e.v.t. og er fremstillet ved at opvarme siliciumdioxid til en ekstremt høj temperatur, hvorved der dannes glas. De romerske glaskunstnere tilsatte små mængder af ædelsten og ædelmetaller som for eksempel guld og sølv under opvarmningen, hvilket medfører ændringer i glassets struktur og danner nanopartikler i glasset. På grund af nanopartiklerne er glasset ikke guldfarvet, men i stedet grønligt. Det helt særlige ved dette bæger er, at hvis man lyser på det forfra, så reflekterer glasset et grønligt lys og optræder uigennemsigtigt. Lyser man derimod bægeret op fra bagsiden, skifter glasset pludselig farve. Det lyser op i en rødlig farve og bliver næsten gennemsigtigt. Alt sammen en effekt, der skyldes guldnanopartiklerne. (Foto: Trustees of the British Museum)

 

Videnskaben og den teknologiske udvikling har i dag nået et stade, hvor man kan afbilde atomer og manipulere processer på den atomare skala. Det er en skala, hvor man måler størrelser i nanometer (en milliontedel millimeter), og på denne skala kan kendte materialer pludselig få helt nye egenskaber. Forskernes resultater udnyttes allerede nu i industrien, og mange nye, spændende anvendelser er lige om hjørnet.

I de seneste århundreder har vi været vidne til en lang række teknologiske gennembrud – som for eksempel opfindelsen af dampmaskinen og forbrændingsmotoren, fremstillingen af kunstgødning, evnen til at transportere mennesker og varer over lange afstande på kort tid, opfindelsen og udviklingen af dioden, transistoren, elektroniske chips og computeren og senest kortlægningen af det menneskelige genom.

Alle disse landvindinger har haft og vil få enorm betydning for samfundsudviklingen, og i næsten alle tilfælde er de et resultat af forskningsmæssige gennembrud i en bottom-up proces mere end resultatet af en topstyret politisk, strategisk proces.

Computerne bliver mindre og hurtigere

Den nuværende, store interesse for nanoteknologi har blandt andet sit udspring i computerindustrien. Udviklingstendenserne for det integrerede kredsløb blev i 1965 beskrevet af Intels grundlægger Gordon Moore med det, der siden er blevet kendt som Moores lov. Den beskriver, hvordan antallet af transistorer i et integreret kredsløb fordobles cirka hvert andet år.

Udviklingen, som Moores lov beskriver, har medført, at computerne er blevet mindre og mindre og hurtigere og hurtigere gennem de seneste 50 år, hvilket vi alle profiterer af i den daglige brug af mobiltelefoner, computere og tablets. Som følge af denne tendens var et af de mest centrale spørgsmål inden for forskningen omkring årtusindskiftet:

»Hvad sker der, når de mindste komponenter i transistorer nærmer sig størrelsen af et enkelt atom?«

For det er uundgåeligt, at man står over for udfordringer, når komponenterne nærmer sig størrelsen af de enkelte byggeklodser.

Nano blev et buzzword

Det er uomtvisteligt, at it-revolutionen, med udgangspunkt i Silicon Valley, har spillet en afgørende faktor i produktionseffektiviseringen af industrien i USA, og det fik den daværende præsident, Bill Clinton, til at sætte fokus på området.

Bill Clinton besluttede således i 2001 at igangsætte det såkaldte The United States National Nanotechnology Initiative med et budget på cirka 500 millioner dollars inden for nanoscience og nanoteknologi. Fra dette tidspunkt blev nano et buzzword, og nano bevægede sig fra forskningsverdenen og ind på den politiske scene, idet nanoteknologi blev udråbt som vejen til den næste industrielle revolution.

Kort tid efter fulgte mange andre lande den amerikanske satsning, og i 2002 nåede nanobølgen også til Danmark, hvor blandt andet Det Interdisciplinære Nanoscience Center på Aarhus Universitet, iNANO, blev etableret med fokus på uddannelse, forskning og videnoverførsel til dansk industri.

Hvad er nano?

Nanoteknologi refererer til noget meget småt. Nano stammer fra det græske nanos, der betyder dværg. I moderne tale er nano et præfiks, der betyder en milliarddel (dvs. 1/1.000.000.000) af en enhed.

Ordet bruges altså på samme måde som centi (1/100) og milli (1/1000) og kan sættes foran enheder som for eksempel meter eller sekunder. En nanometer (= 1 nm) svarer således til en milliarddel meter eller en milliontedel millimeter. Det vil sige, at der skal lige så mange nanometer til en millimeter, som der skal millimeter til en kilometer.

En nanometer er en meget lille afstand, som umiddelbart er meget vanskelig at forholde sig til. For at illustrere, hvor lille en afstand man taler om, er størrelsesforholdet mellem en fodbold og en nanoklynge med en diameter på 1 nanometer det samme som størrelsesforholdet mellem selvsamme fodbold og hele Jorden.

Men hvad er nano?


Når man bevæger sig helt ned på nanometerskala og ind i nanoteknologiens verden, havner man i atomerne og molekylernes univers. Et enkelt atom har en størrelse på cirka en femtedel nanometer, dvs. fem atomer lagt på række svarer til cirka en nanometer, og mange molekyler har en størrelse på en eller flere nanometer.

Den formelle definition af nanoteknologi er videnskab og ingeniørkunst om strukturer med en størrelse mellem 0,1 og 100 nanometer. Det er en meget bred definition, som ikke tager hensyn til, om nanostrukturen består af guld, sølv, kulstof, jern, hydrogen, kvælstof eller et andet grundstof.

Udover at referere til noget meget småt
 er nanoteknologi blevet synonymt med tværfaglighed mellem de klassiske videnskabelige discipliner og i særdeleshed mellem fysik, kemi, biologi, molekylærbiologi og medi
cin. Alle disse fag har netop forståelsen af atomerne og molekylernes verden til fælles.

Top-down og bottom-up tilgangene åbner helt nye muligheder inden for nanoteknologien

Historisk set har disse fag haft meget forskellige tilgange til arbejdet med vores mindste byggesten. For eksempel har fysikere typisk benyttet
sig af en top-down tilgang, hvor man arbejder sig oppefra og ned og tilstræber at bygge og forstå mindre og mindre strukturer.

Fakta

Denne artikel stammer fra bogen '25 søforklaringer - Naturvidenskabelige fortællinger fra Søauditorierne'. Bogen bringes i samarbejde med Aarhus Universitetsforlag. Køb bogen her.

Det har man blandt andet set med udviklingen og udformningen af computerprocessorer siden slutningen af 1960’erne og begyndelsen af 1970’erne, hvor computere var så store som skabe, hvorimod de i dag stort set ingenting fylder. Udviklingen er resultatet af de seneste årtiers nanoteknologiske top-down arbejdsproces, hvor man ’mejsler’ mindre og mindre stukturer ud af et materiale, typisk silicium.

I modsætning til denne top-down metode finder vi kemikernes og biologernes bottomup tilgang til nanoteknologi. Den kan i grove træk beskrives som kemikernes evne til at bygge stadigt større og mere komplicerede molekyler op fra bunden ved blandt andet at styre kemiske bindinger, så molekylerne samler sig selv.

Som eksempler kan nævnes arbejdet med fedtmolekyler og virus til fremstillingen af vitamin B12 og kunstige DNA-delfiner og DNA-nanokasser samlet af enkelte DNAstrenge.

Netop denne kombination af top-down og bottom-up tilgangene åbner helt nye muligheder inden for nanoteknologien.

Småt er anderledes

Det altoverskyggende spørgsmål, som mange stiller ved første bekendtskab med nanoteknologi, lyder: »Hvorfor er småt interessant?«

På basis af en lang række forskningsresultater er det i dag et veldokumenteret faktum, at materialer kan have markant anderledes fysiske og kemiske egenskaber, hvis de kun er nogle få nanometer store, sammenlignet med, hvis de for eksempel er flere centimeter store.

Forklaringen skal søges i den del af fysikken, der blev udviklet i 1920-1930 af blandt andre Niels Bohr (1885-1962), Albert Einstein (1879-1955) og Erwin Schrödinger (1887-1961), nemlig kvantemekanikken.

I kvantemekanikkens fascinerende verden er den klassiske, deterministiske beskrivelse af materialer og fænomener afløst af en kvantemekanisk ubestemmelighed og uforudsigelighed, hvor fysiske kræfter, vi ikke umiddelbart mærker i vores dagligdag, pludselig bliver altoverskyggende og dikterer nye egenskaber for materialerne.

Småt er anderledes

Et i bogstavelig betydning klassisk eksempel på, at ’småt er anderledes’, stammer fra det 4. århundrede, hvor romerske glaskunstnere fremstillede en række kunstgenstande, heriblandt et gyldent bæger, kendt som Lycurgus-bægeret.

Udover at fremstille selve glasset havde de romerske glaskunstnere for vane at tilsætte små mængder af ædelsten og ædelmetaller som for eksempel guld og sølv. Ved at tilsætte guld under opvarmningen sker der nemlig ændringer i glassets struktur, og man får dannet nanopartikler dækket med guld.

Bægeret er ikke guldfarvet, som man skulle tro, men i stedet grønligt. Det helt særlige ved dette bæger er, at hvis man lyser på det forfra, så reflekterer glasset et grønligt lys og optræder uigennemsigtigt. Lyser man derimod bægeret op fra bagsiden, skifter glasset pludselig farve. Det lyser op i en rødlig farve og bliver næsten gennemsigtigt. Alt sammen en effekt forårsaget af guldnanopartikler.

Bægeret har været berømt i mange hundrede år for denne fantastiske egenskab, men det er først i det 20. århundrede, at man har kunnet studere nanopartiklerne i glasset og forklare, hvad det egentlig er, der sker.

Gulds nye egenskaber bliver tydelige

Det forunderlige optiske fænomen skyldes vekselvirkninger mellem lys og frie elektroner i overfladen på et elektrisk ledende ædelt metal som guld eller sølv. Nanopartikler med forskellige geometriske former (runde, kvadratiske, stjerneformede, rektangulære osv.) vil vekselvirke markant forskelligt med lys med samme bølgelængde. De kan enten reflektere, absorbere eller udsende lys med en anden bølgelængde.

Størrelsen og den geometriske form spiller altså ind på materialets egenskaber, i dette tilfælde metallet gulds farve. Det er ikke et fænomen, vi kan forklare i den makroskopiske, klassiske fysiks verden. Vi ved, at en guldbarre har samme farve som en guldring, og vi ved, at en guldbarre er guldfarvet, hvadenten den er 1 millimeter eller 20 centimeter lang.

Men på nanoskalaen bliver gulds nye funktionelle egenskaber direkte tydelige ved, at for eksempel de optiske egenskaber ændres. Det gør, at Lycurgus-bægeret kan skifte farve fra grønlig til rødlig. Og ikke nok med, at bægeret kan skifte farve – på intet tidspunkt er det guldfarvet, som man umiddelbart ville have forventet.

Småt er i sandhed anderledes.

Struktur er afgørende

Vi kender i dag en lang række eksempler på, hvorledes materialers makroskopiske egenskaber dikteres af både deres kemi
ske sammensætning og deres geometriske struktur.

Begrebet allotropi dækker over det fænomen, at et grundstof kan optræde i flere forskellige geometriske tilstande. Rent kulstof kan optræde i mange forskellige former. Her er vist de fire mest almindelige former af kulstof:
a) Diamant, b) Grafit, c) C60 (Buckminster fullerene eller buckyball), d) Kulstof-nanorør.

Ved at kontrollere materialers sammensætning og struktur på nanoskalaen kan man med de samme byggesten (atomer og molekyler) konstruere materialer med mange forskellige funktionelle egenskaber. Resultaterne er nye mekaniske, magnetiske, elektriske, termiske, kemiske og optiske egenskaber.

Et klassisk eksempel, der på én gang er uhyre simpelt, men samtidig har enorme perspektiver, tager sit udgangspunkt i grundstoffet karbon (det vil sige, kulstof ), grundstof nummer 6 i det periodiske system.

Vi ved, at den indre kerne i en simpel blyant består af karbon i en grafit-struktur – et blødt lagdelt materiale, som man kan skrive med, og som man kan bruge som smøremiddel for at undgå friktion og sammenklistring mellem to andre materialer.

Sammensætter man de samme karbonatomer – nu ikke i en grafit-struktur, men i en tredimensionel struktur – kan man få diamant, et ekstremt hårdt materiale, der benyttes i en diamantsav og naturligvis som smykkesten.

 

C60-buckyballs of karbonnanrøret udviser flere nye egenskaber

I 1985 skete der et forskningsmæssigt gennembrud inden for nanoscience, idet endnu etmedlemblevføjettilkarbon-familien, nemlig C60, bedre kendt som en buckyball. En C60-buckyball har en struktur med 60 karbonatomer bestående af fem- og sekskanter og minder meget om en fodbold i sin opbygning.

Opdagelsen af disse C60-buckyballs udløste i 1996 Nobelprisen i kemi til Richard Smalley, Harald Kroto og Robert Curl. Udover buckyball kan karbon også tage form som et karbonnanorør, hvor karbonhexagonerne (sekskanterne) er oprullet i et rør med en diameter på nogle få nanometer – en struktur, der bedst kan sammenlignes med et oprullet hønsenet.

Fælles for både C60-buckyballs og karbonnanorøret er, at de igen udviser flere ekstreme nye, funktionelle egenskaber sammenlignet med grafit, diamant og andre materialer. For eksempel er karbonnanorør 100 gange stærkere og seks gange lettere end stål.

De leder strøm bedre end kobber og varme bedre end diamant, og de kan designes til at være enten elektriske ledere eller halvledere som for eksempel silicium. I kraft af disse nye overraskende funktionelle egenskaber spænder de potentielle anvendelsesmuligheder for karbonnanorørene vidt.

Nogle af de potentielle teknologiske anvendelser er til ledende og superstærke kompositmaterialer, energiopbevaring af for eksempel brint, til katalysatorer i forbindelse med energiomdannelse, sensorer, kunstige muskler, batterier, afskærmning af elektromagnetisk stråling, FED-fladskærme (field emission displays) og til konstruktion af nye komponenter inden for nanoelektronik.

 

Ét lag grafen har højere brudstyrke end stål

De mange potentielle anvendelser, timet med Bill Clintons store satsning på nano, gjorde, at nanorøret blev udråbt som det helt store, nye materiale, som skulle være med til at skabe en industriel revolution i det 21. århundrede.

Men i 2004 skete der endnu et afgørende gennembrud inden for nanoscience. Allerede seks år efter (2010) udløste det Nobelprisen i fysik til Andrei Geim og Konstantin Novoselov. De to forskere påviste eksistensen af endnu et ’vidundermateriale’, nemlig grafen, baseret på karbonatomer.

Grafen består af et enkelt lag af karbonatomer, og igen har forskning vist, at grafen har mange interessante funktionelle egenskaber. Selvom grafen består af meget stærke karbon-karbon-bindinger, kan materialet strækkes med op til 25 % af dets oprindelige længde, samtidig med at materialet har en utrolig styrke. For et lag grafen er brudstyrken cirka 40 gange højere end stål.

 

Grafens elektroer bevæger sig som masseløse fotoner

Grafen er ligeledes fantastisk til at lede elektrisk strøm, hvilket skyldes grafens specielle gitterstruktur, som sørger for, at elektroner kan bevæge sig frit over lange afstande uden modstand – til forskel fra traditionelle ledere. En anden særlig egenskab ved grafen er, at dens elektroner bevæger sig rundt som masseløse lyspartikler (fotoner).

Det giver dem en konstant hastighed på cirka en million meter i sekundet, hvilket igen gør det muligt at studere fænomener, der ellers kun var mulige at studere ved brug af en partikelaccelerator.

I marts 2010 lykkedes det forskere ved iNANO at indarbejde et såkaldt energigab i grafen ved kemisk at ændre grafenoverfladen. Det har gjort det realistisk at tro på, at grafen med dens unikke elektrontransportegenskaber vil kunne erstatte silicium i fremtidens computerchips. Det er et stort skridt på vejen mod hurtigere computere, iPods osv.

 

Kunsten at se på nanoskalaen

Nanoscience og nanoteknologi er ikke resultatet af en videnskabelig revolution inden for videnskaben, som for eksempel kvantemekanikken var inden for fysik i begyndelsen af det forrige århundrede.

Nanoteknologi og nanoscience er derimod resultatet af en evolution, hvor man over de seneste 40-50 år er blevet i stand til at syntetisere og skabe mindre og mindre nanostukturer. Samtidig har man udviklet nye teknikker og mikroskoper, der gør det muligt at analysere disse nanostrukturer. 

Princippet i et Scanning Tunnel Mikroskop (STM). En ultraspids nål (tip) bevæges hen over en overflade med en ganske lille afstand mellem spids og overflade. Til venstre er en tegning af STM-tippen, der bevæger sig hen over en overflade med en spænding og en meget svag strøm mellem overfladen og tippen. På computerskærmen ses resultatet af målingen. Mange STMmålinger foregår i vakuumkamre, hvor der ikke er støv eller gas til at forstyrre målingen. (Illustration: Troels Marstrand)

Ordet nanoteknologi blev første gang brugt  af den japanske forsker Professor Taniguchi, der sammensatte ordet nano og teknologi. Men allerede i 1959 gav fysikeren Richard Feynman (1918-1988) en næsten profetisk forelæsning med titlen: »There is Plenty of Room at the Bottom« (»Der er masser af plads på bunden«).

I forelæsningen forudsagde han, at man en dag ville udvikle et mikroskop, der ville blive i stand til at afbilde materialernes mindste byggeklodser, atomerne. Samtidig hævdede han, at ingen naturlove ville forhindre os i at manipulere enkelte atomer eller molekyler og derved bygge nanostrukturer, som når man bygger strukturer ud fra legoklodser.

 

Det blev muligt at studere hvordan atomer og molekyler samler sig

I 1959 virkede disse påstande som ren fantasi. Men den tilsyneladende uopnåelige, videnskabelige drøm blev realiseret kun cirka 20 år senere, da fysikerne Gerd Binnig og Heinrich Rohrer og deres kolleger omkring 1980 udviklede det første Scanning Tunnel Mikroskop (STM).

STM’et førte til en revolution inden for forskning i nanostrukturer på overflader, da det for første gang blev muligt at afbilde, at ’se’, enkelte atomer og molekyleri/på en overflade. Pludselig blev det muligt at studere, hvorledes atomer og molekyler selv samler sig til ordnede strukturer. Og det blev muligt at skabe verdens mindste menneskeskabte nanostrukturer ved at flytte rundt på enkelte atomer og molekyler, et ad gangen.

Det har fuldstændigt ændret vore muligheder for at forske i nanostrukturer, og udviklingen af STM’et har måske mere end noget andet åbnet vore øjne for de muligheder, der er i nanoteknologien. I 1986 blev Binnig og Rohrer tildelt Nobelprisen i fysik for deres fremragende indsats.

 

STM – et nanoskop

Almindelige optiske mikroskoper med glaslinser virker ved, at der sendes lys ned på eller op gennem en prøve, linsen spreder lyset, og billedet forstørres.

Men lysets bølgelængde sætter en nedre grænse for opløsningsevnen: Man kan ikke umiddelbart se detaljer, der er mindre end cirka 1⁄4 af lysets bølgelængde, og da synligt lys har en bølgelængde i området 400-700 nm, er den nedre opløsningsgrænse blot cirka 100-200 nanometer for et optisk mikroskop.

Med et optisk mikroskop kan man se detaljer i biologiske strukturer som celler og bakterier, der typisk er én mikrometer store, men det er langtfra nok til at se nanostrukturer og enkelte atomer.

 

Det kvantemekaniske tunnelfænomen tillader at elektronen bevæger sig mellem mikroskopet og prøven

Scanning Tunnel Mikroskopet virker markant anderledes end et optisk mikroskop. I stedet for at være baseret på lys er det baseret på det kvantemekaniske tunnelfænomen. Fænomenet tillader, at en elektron kan bevæge sig mellem mikroskopet og prøven, man vil undersøge, uden at der er kontakt mellem disse.

Kort fortalt fungerer et STM som en slags atomar grammofon, hvor en meget tynd spids (tip) bevæges særdeles tæt over den overflade, man vil undersøge. Man pålægger nu overfladen (prøven) en spænding på cirka 0,1-1,0 volt i forhold til tippen.

Inden for den klassiske fysik vil man sige, at der kun kan løbe en strøm i kredsløbet mellem nålen og overfladen, hvis de er i kontakt med hinanden. Men inden for kvantemekanikken løber der en meget lille strøm, typisk en nanoampere, hvis afstanden mellem prøven og tippen er meget lille, cirka 0,5 nanometer.

 

At styre et STM med atomar præcision er en teknologisk præstation

Man siger, at elektronerne tunnelerer gennem luftgabet mellem tip og overflade. Denne tunnelstrøm viser sig at afhænge eksponentielt af afstanden mellem nålen og overfladen. Hvis det er så kraftigt, at afstanden ændres med 0,1 nanometer, ændres tunnelstrømmen med cirka en faktor 10.

Man kan selvfølgelig ikke lave en nål, der er spids nok til at passe i ’rillen’ på den atomare todimensionelle overflade, idet den så skulle være kun ét atom spids. Men på grund af den eksponentielle sammenhæng mellem afstand og tunnelstrøm vil et atom i nålen, der er blot 0,1 nanometer tættere på overfladen end alle øvrige atomer, bære 90 % af tunnelstrømmen.

Det betyder, at når nålen scannes hen over overfladen, kan man omsætte ændringer i tunnelstrømmen til et 3D-topografisk billede, der afbilder overfladens atomare struktur med en så fantastisk opløsningsevne, at man kan “se” de enkelte atomer i overfladen.

At styre et STM med atomar præcision er en teknologisk præstation. Det svarer billedlig talt til at vende Eiffeltårnet på hovedet og scanne dets top hen over en overflade med en præcision på 0,05 millimeter!

På Aarhus Universitet udviklede vi i slutningen af 1980’erne et STM, der kan afbilde atomerne i prøveoverfladen så hurtigt – flere billeder i sekundet – at man kan følge dynamiske fænomener på overfladen i form af STM-film. Dette STM har vist sig at være internationalt unikt, så det omtales i dag som 'The Aarhus STM', og mange forskergrupper rundt om i verden benytter i dag en kommercielt tilgængelig udgave af et Aarhus STM.

 

Fra grundforskning i overfladekatalyse til industriel anvendelse

Et eksempel, hvor nanoscience og specielt STM’et allerede har bevist sin enorme betydning, er nanoforskning inden for heterogen katalyse – et måske ukendt felt for de fleste. Men det er ikke desto mindre et felt, som har enorm betydning for vort moderne samfund.

De aktive nanopartikler i afsvovlingskatalysatoren består hovedsageligt af stoffet molybdændisulfid (MoS2). Ved at fordampe små mængder metallisk molybdæn (Mo) på en guldoverflade og udsætte dem for gasformig svovlbrinte dannes katalysatorpartiklerne MoS2. STMbilledets sort-rød-gule farveskala viser højdekonturerne af partiklen, hvor sort repræsenterer de laveste punkter og gul de højeste.

De små kuglerangiver positionen af de enkelte svovlatomer på toppen af nanopartiklen. STM-studier har vist, at den klare, gule kant, der ses langs de trekantede MoS2-nanopartikler, spiller en vigtig rolle i afsvovlingsprocessen. Den gule farve langs kanten på partiklen fortæller, at der er forholdsvis flere elektroner i kanten af partiklen end i midten. (Foto: iNANO)

Alle kender en bils katalysator, der omdanner de farlige gasser CO og NO i udstødningen til mere harmløse gasarter som CO2 og N2, hvilket har haft enorm betydning for miljøet i byerne. Forskningen inden for nanokatalysatorer har allerede ledt til udvikling af nye teknologier, der er kommet industrien, økonomien, miljøet og dermed menneskeheden til gode.

Det har blandt andet den danske virksomhed Haldor Topsøe A/S nydt godt af. Det anslås, at værdien af produkterne fra katalytiske processer kan relateres direkte til 10-15 % af de industrialiserede landes bruttonationalprodukter.

 

En katalysator er en slags grydesvamp

Katalysatorer til at rense råolie for organiske svovl- og kvælstofforbindelser skåner hver dag det danske miljø for omkring 1.000 tons koncentreret svovlsyre og 100 tons koncentreret salpetersyre, der ellers ville falde som syreregn. Og stort set alle de produkter, vi omgiver os med til daglig, er blevet til gennem katalytiske processer.

Produkternes pris og miljøbelastning afhænger begge direkte af, hvor effektive katalysatorerne er. Katalysatorer kan for eksempel anvendes til miljøforbedrende formål – såsom røgrensning på kraftvarmeværker og fjernelse af urenheder (svovl og kvælstof) i fossile brændstoffer for at undgå sur nedbør – når de senere afbrændes i for eksempel bilmotorer.

En katalysator er et nanomateriale, der kan øge en kemisk reaktions hastighed op til adskillige millioner gange. Kort beskrevet muliggør katalysatoren, at gasmolekyler kan reagere til ønskede produkter under betingelser, hvor reaktionen ikke normalt ville kunne finde sted.

Strukturen af en katalysator er ofte ret kompleks. Man kan tænke på en katalysator som en slags grydesvamp – dvs. et porøst materiale med en stor mængde porer i nanometerstørrelse – hvor de kemisk aktive nanopartikler ligger spredt i porerne.

Katalysatorens egenskaber og effektivitet afhænger i høj grad af den præcise udformning og kemiske sammensætning af disse nanostrukturer og nanopartikler i katalysatoren.

 

Katalysatorer har primært været trial-and-error-eksperimenter

Forskning i og udvikling af nanomaterialer til katalytiske processer kompliceres af deres komplekse struktur og de ofte ekstreme forhold, som katalysatorer anvendes under. Det drejer sig ofte om ekstremt kemisk aktive omgivelser, højt tryk og høje temperaturer.

Det begrænser ofte mulighederne for at opnå en detaljeret, atomar karakterisering af katalysator-nanomaterialerne. Og det forklarer, hvorfor udviklingen af katalysatorer primært har været baseret på empiriske trial-and-error-eksperimenter. Man har prøvet sig frem og set, hvad der virker i praksis.

Ved hjælp af en lang række nye teknikker er det i dag blevet muligt at få langt dybere indsigt i, hvordan katalysatorerne virker på nanoniveau, og det muliggør en målrettet udvikling af forbedrede nanomaterialer i stedet for blot at prøve sig frem, som man har gjort tidligere.

Målet med at anvende nanoteknologi inden for katalyse er at blive i stand til at designe helt nye og bedre nanokatalysatorer ved at kontrollere størrelsen og formen af nanopartiklerne i katalysatoren.

 

Kort vej fra forskning til forretning

Når man i raffinaderier omdanner råolie til for eksempel benzin og diesel, ønsker man at rense råolien for organiske svovlog kvælstofforbindelser. Og til dette bruger man som nævnt katalysatorer. De aktive nanopartikler i katalysatoren, som fjerner svovl fra råolie, består især af molybdændisulfid (MoS). Men i mange år var den detaljerede struktur af katalysatoren ukendt.

Baseret på krystalstrukturen af MoS2 var den oprindelige opfattelse, at disse nanopartikler måtte være sekskantede. Men ved hjælp af STM lykkedes det forskere fra Aarhus Universitet at opnå helt ny indsigt i partiklernes struktur.

Mod forventning viste det sig, at MoS2-nanopartikler har en trekantet form, hvilket har store konsekvenser, idet man ved, at det udelukkende er partiklernes kanter, som er kemisk aktive i katalyseprocessen. En sekskantet partikel har to strukturelt forskellige kantstrukturer, hvorimod en trekant kun besidder én.

Samtidig viste STM-billederne for første gang eksistensen af en helt speciel elektronisk kanttilstand, symboliseret ved en gul bræmme (the yellow brim) langs kanten af MoS2-nanopartiklerne. Det viste sig, at denne kanttilstand var den, der styrede de kemiske reaktioner på nanokatalysatoren.

 

Tilsætningen af kobolt får nanopartiklerne til at skifte form

I bestræbelserne på at forbedre MoS2-katalysatoren yderligere har man vist, at små mængder af grundstofferne kobolt (Co) eller nikkel (Ni) kan forøge effektiviteten kraftigt. Igen lykkedes det ved brug af STM for første gang at fastlægge den detaljerede atomare forståelse af strukturen af Co-MoS-partiklerne.

Det viser sig, at tilsætningen af kobolt til MoS -nanopartiklerne får nanopartiklerne til at skifte form, så de nu har en sekskantet form i modsætning til trekantformen for ren MoS2.

Grätzel-solcellen kan i sin simpleste form fremstilles vha. glas, kulstof fra en blyant, titandioxid, en elektrolyt og farvestof fra fx brombær. Sammensættes disse komponenter på den rette måde og indsættes i et kredsløb, så kan det drive en strøm. (Illustration: Troels Marstrand)

Co-Mo-S-partiklen har altså to forskellige kantstrukturer. En analyse af den atomare struktur viser, at de lange kanter svarer til dem på MoS2 -trekanten, mens de korte kanter har en ny kantstruktur, hvor molybdæn er skiftet ud med kobolt. Tilstedeværelsen af kobolt på kanterne giver bedre mulighed for at binde svovlholdige molekyler.

 

En ny katalysator, der levede op til nye regulativer, blev udviklet

Det interessante ved dette forskningsprojekt er blandt andet, at det demonstrerer, hvor kort der kan være fra nanoscience til nanoteknologi – og fra grundforskning til forretning. Forskere ved Aarhus Universitet har haft et mangeårigt samarbejde med Haldor Topsøe A/S, der investerer i anvendelsen af nanoteknologi i deres produktudvikling af nye katalysatorer.

Den basale viden, der var opnået på Aarhus Universitet ved at studere den detaljerede struktur af MoS2-katalysatorer med STM, blev således overført til de personer, der udvikler nye katalysatorer på Topsøe A/S.

Det lykkedes Topsøe A/S at udvikleen ny katalysator kaldet BRIM®, der som den første i verden levede op til de nye regulativer, der kræver, at indholdet af svovl i benzin og diesel højst må være 10 ppm (parts pr. million).

Det er fantastisk for miljøet, og samtidig kan den nye udvikling aflæses direkte på virksomhedens bundlinje, idet Haldor Topsøe A/S i dag sidder på cirka 40 % af verdensmarkedet for afsvovlningskatalysatorer.

 

En soleklar løsning

Når mange af verdens lande i dag investerer i nanoscience og nanoteknologi, er det blandt andet, fordi nanoscience åbner op for visionære løsninger på en lang række store, globale udfordringer.

Det er udfordringer som rent drikkevand, miljøproblemer, klimaændringer, bæredygtig energiforsyning, økonomisk overkommelig sundhedspleje
og tilstrækkelige fødevarer til at brødføde en voksende befolkning, der i 2050 vil være vokset fra de nuværende syv til omkring ni milliarder.

Det er vigtigt at sikre langsigtede løsninger på udfordringerne, inden de uundgåeligt vil føre til internationale katastrofer af hidtil uset format. Løses de ikke i tide, vil alle nuværende diskussioner om forringede velfærdsydelser blive til et ’nanoproblem’.

 

Siliciumsolceller optager meget solenergi, men koster også meget at producere

Som eksempel på, hvilken rolle nanoteknologi kan spille i løsningen af disse udfordringer, vil vi her fokusere på bæredygtig energiforsyning. En oplagt mulighed er at basere en bæredygtig teknologi på solenergi – i særdeleshed udvikling af nye effektive, robuste, langtidsholdbare og billige solceller.

Den traditionelle solcelle kender vi fra små solcellepaneler på lommeregnere, store paneler på satellitter og efterhånden også fra mange danske hustage. Denne type solcelle er lavet af silicium, hvilket er det samme materiale, computerindustrien bruger til fremstilling af mikrochips.

Fremstillingsprocessen er også den samme, som man bruger til fremstilling af computerchips, og derfor er prisen på solcellerne ret høj og fuldstændig bestemt af computerindustrien.

Siliciumsolcellen har den store fordel, at den er god til at udnytte solens energi. Hele 15-20 % af energien i sollyset kan laves om til elektrisk energi, hvilket ikke er særligt langt fra den teoretiske grænse på cirka 30 %. En stor ulempe ved denne type solcelle er dog det energiforbrug, der går til at producere den.

 

Titanoxid kan være et alternativ

Der går typisk omkring ti år (!), inden solcellen har produceret lige så meget energi, som der er blevet brugt for at producere den. Ti år svarer til næsten halvdelen af solcellens levetid, så den siliciumbaserede solcelle er simpelthen for dyr til, at den for alvor kan konkurrere med kul, olie og naturgas.

På grund af de høje økonomiske og energimæssige omkostninger ved siliciumsolcellen har forskere længe set sig om efter billigere alternativer til silicium. Et materiale – som er langt billigere end silicium, findes i rigelige mængder, ikke er giftigt, og som kan benyttes til produktion af solceller – er titandioxid (TiO2).

Desværre er TiO2 ikke så god til at absorbere lys som silicium. Faktisk er en solcelle lavet af TiO2 kun i stand til at absorbere ultraviolet (UV) lys – og ikke det synlige lys.

 

Et gennembrud inspireret af fotosyntesen

I begyndelsen af 1990’erne udviklede den schweiziske kemiker Michael Grätzel den såkaldte Grätzelcelle, som er en ny type solcelle, der er baseret på TiO2-nanopartikler.

En af de store fordele ved denne type solcelle er, at den kan fremstilles billigt, og den er så simpel, at alle andetårsstuderende på bacheloruddannelsen i nanoscience ved iNANO ved Aarhus Universitet (og sågar også besøgende gymnasieelever) kan bygge deres egen solcelle.

I 2009 publicerede forskere fra iNANO den hidtil mest komplicerede menneskeskabte nanostruktur, fremstillet ved at samle hundredevis af DNA-molekyler. Kassen, som forskerne konstruerede, var 1/30.000 millimeter stor, og det svarer til, at der kunne være 100 billioner af dem i et riskorn, og den er forsynet med et låg, som kan åbnes og lukkes. Det giver mulighed for at bruge nanokassen som diagnostisk sensor til at afsløre tilstedeværelse af fx virus eller kræft og, på længere sigt, kontrollere frigivelse af medicin i syge celler.
(Illustration: Ebbe Sloth Andersen, iNANO)

Grätzel modificerede titandioxiden, så den kunne absorbere både ultraviolet og synligt lys. Inspirationen til modificeringen fik han fra planternes verden, nærmere bestemt fra fotosyntesen. Klodens planter tapper solens energi ved hjælp af farvestof i bladene.

Når solens synlige stråler rammer et farvestofmolekyle, absorberes det synlige lys, og energien overføres til resten af planten. Tanken var altså at koble farvestofmolekyler til TiO2, så de kunne fange det synlige lys og overføre energien fra lyset til TiO2.

 

Farvestofmolekylerne ville optage næsten 100 % af sollyset

Det regnede man med at kunne gøre ved at få et nanometertykt lag af farvestofmolekyler til at selvsamle sig på en glat titandioxidoverflade. Selvom dette i teorien er en rigtig god løsning, var det tynde molekylære lag ikke nok i praksis.

Et nanometertykt lag farvestofmolekyler er kun i stand til at optage en meget lille del af det synlige lys, under 1 %, og et tykkere lag ville bringe farvestoffet for langt væk fra TiO2-overfladen til, at energioverførslen kan ske effektivt.

Der skulle tænkes nye tanker. Michael Grätzel fik den geniale idé at bruge 10-20 nanometer små TiO2-nanopartikler i stedet for en større 2D-overflade. Et lag af så små nanopartikler har et overfladeareal, der er cirka 1.000 gange større end overfladearealet på den glatte krystal.

På den måde vil farvestofmolekylerne optage næsten 100 % af sollyset. Ved at gøre hele TiO2-strukturen meget tynd kunne man kompensere for dens dårlige evne til at lede elektroner, og med nanopartiklerne blev solcellen mere end ti gange så effektiv som før.

 

Der er forskellige processer i solcellen

Selvom Grätzelsolcellen ved nanopartiklernes hjælp optager næsten 100 % af det synlige lys, er det endnu ikke ensbetydende med, at solcellen formår at udnytte alt lyset. Der er forskellige processer i solcellen, som medfører en forringelse af nyttevirkningen i forhold til, hvad der er teoretisk muligt at opnå.

For eksempel forringes nyttevirkningen, hvis det farvestoflag, der dækker nanopartiklerne, ikke er helt tæt og homogent. For at for
stå og måske løse sådanne problemer er vi nødt til at kende strukturen af TiO2-overfladen helt ned på en subnanometer skala og vide, hvor og hvordan farvestofmolekylerne binder sig til overfladen.

Ved iNANO har vi ved hjælp af STM studeret de basale atomare processer på TiO2-overflader, hvordan vand og andre molekyler vekselvirker med overfladen, og hvorledes forskellige defekter i TiO2-overfladen er helt afgørende for TiO2-overfladens kemiske reaktivitet.

 

Når tværfagligheden spiller sammen

I 2009 lykkedes det en gruppe af forskere på iNANO at fremstille en kasse i nanostørrelse, som var den hidtil mest komplekse, menneskeskabte tre-dimensionale nanostruktur. Byggeklodserne, som nanokassen er konstrueret af, er DNA-molekyler.

Normalt forbinder vi DNA-molekyler med deres funktion fra biologiens verden, hvor de spiller en helt afgørende rolle, nemlig som bærere af den information, der bestemmer den genetiske arv. Strukturen af et DNA-molekyle blev første gang løst i 1953 af James Watson og Francis Crick og er på én gang kompleks og forunderligt simpel.

Der er tale om en karakteristisk spiralstruktur bestående af to snoede ’sukkermolekyle-strenge’. De holdes sammen af fire simple base-molekyler, adenin (A), guanin (G), cytosin (C) og thymin (T). Watson og Crick påviste, at disse kun parrer sammen to og to: A med G og C med T.

 

Tværfagligheden skal bringes i spil

Vedatudnyttedenne ’DNA-parring’ formåede forskerne at få hundredvis af DNA-molekyler til at selvsamle til en tredimensionel kasse. Helt præcist er kassen 1/30.000 millimeter stor, og det svarer til, at der kan være 100 billioner af dem i et riskorn, og den er som alle 3D-kasser forsynet med et låg, der kan åbnes og lukkes.

Forskerne har indbygget en låsemekanisme, som gør,
at kassen kun åbner sig med bestemte sygdomsspecifikke DNA-nøgler. Samtidig skifter den farve fra rød til grøn, når den belyses med en laser. Det giver mulighed for at bruge nanokassen som diagnostisk sensor til at afsløre tilstedeværelse af for eksempel virus eller kræft og, på længere sigt, kontrollere frigivelse af medicin i syge celler.

Eksemplet blev publiceret i det anerkendte tidsskrift Nature og er det hidtil klareste eksempel på, at tværfagligheden har en berettigelse. Her kom forskere fra iNANO og molekylærbiologi med en konkret idé, som ved hjælp af fysikere, kemikere og nano’er blev karakteriseret, beskrevet og forstået – helt ned på nanoniveau.

Det er også denne form for tværfaglighed, vi skal bringe i spil, når vi skal arbejde på at løse de globale udfordringer, vi nævnte tidligere. Hvordan vi løser problemerne, ved vi ikke endnu, men vi ved, at nano kan være svaret, netop fordi: Small is different. Og derfor mener vi også, at nanoteknologi fører til den næste industrielle revolution.
 

Videnskab.dk Podcast

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


Se den nyeste video fra Tjek

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

Indholdet på kanalen bliver produceret af Videnskab.dk's Center for Faglig Formidling med samme journalistiske arbejdsgange, som bliver anvendt på Videnskab.dk.


Ugens videnskabsbillede

Se flere forskningsfotos på Instagram, og læs nyt om fusionsenergi, som DTU med forsøgsreaktoren på billedet nedenfor - en såkaldt tokamak - nu er kommet lidt nærmere.