Ekstremt småt: Danskere får atomer til selv at danne mønstre
Det er lykkedes danske forskere at få kulstofatomer til at organisere sig og danne mønstre af sig selv. Det kan være et skridt i retningen af at danne endnu mindre elektronik i fremtiden.
grafen selvorganisering nanoforskning

Danske forskere har for første gang fået atomer til at organisere sig selv i mønstre – selvorganisering – i supermaterialet grafen og lignende materialer, som kun er ét atom i tykkelsen. (Illustration af grafen: Shutterstock)

Forskere fra Danmarks Tekniske Universitet og Aarhus Universitet har skabt et ekstremt lille fremskridt.

Så lille, at de størrelser, vi taler om, er mange millioner gange mindre end tykkelsen på en sytråd. 

Det er simpelthen lykkedes for forskerne at få kulstofatomer til at organisere sig selv og danne mønstre.

Mønstret bliver dannet i et materiale, som kun er ét atom tykt, og det består af 'prikker', som kun er 15 atomer i diameter. Med andre ord et imponerende nørklearbejde, hvis man tænker på, hvor svært det kan være at sende den langt større sytråd igennem et nåleøje.

Forskerne har da heller ikke brugt deres egne fingre til at flytte rundt på atomerne én for én. I stedet har de fundet en metode til at få atomerne til at organisere sig selv.

»Selvorganisering er en form for ønskesituation i nanoteknologien. Vi kender selvorganisering fra masser af fænomener i naturen. Vores egne kroppe og andre biologiske organismer er for eksempel dannet ved, at atomer og molekyler selv organiserer sig i komplekse systemer,« siger Peter Bøggild, som er professor ved Institut for Mikro- og Nanoteknologi på Danmarks Tekniske Universitet (DTU).

Selvorganisering

En række materialer er fra naturens hånd i stand til at organisere sig selv efter bestemte mønstre.

Mønstrene kan være meget komplekse strukturer – tænk bare på træers blade, din egen krop, din hund, iskrystaller eller andre strukturer, som 'danner sig selv'.

Fra naturens hånd vil 'brikkerne' generelt organisere sig sådan, at det koster mindst mulig energi.

Kilde: Peter Bøggild

En hed drøm for nanoforskere

Det har længe været den store drøm for nanoforskere at kunne bygge nye materialer, hvor placeringen af hvert enkelt atom kan kontrolleres – ligesom når man bygger med legoklodser. Men så langt er forskerne ikke nået endnu.

Det er simpelthen en kæmpestor udfordring at arbejde med noget så småt som atomer.

Peter Bøggild mener, at netop selvorganisering kan være en mulig løsning på udfordringen. I stedet for selv at flytte rundt på de atomare legoklodser er ideen, at man kan få dem til at samle sig selv på kommando.

Her er den nyudviklede metode et skridt i den rigtige retning, mener Peter Bøggild.

»Vi er ved at nærme os en 60 år gammel drøm om at kunne kontrollere materialer atom for atom,« siger Peter Bøggild.

Kan bygge med få atomer ad gangen

Peter Bøggild påpeger, at hans forskningsgruppe tidligere har vist, at de kan stable ekstremt tynde materialer – materialer som kun er ét atom i tykkelsen - ovenpå hinanden, uden at de går i stykker.

På den måde kan de opbygge nye materialer ét lag ad gangen – ligesom en lagkage.

Grafen

Grafen er et materiale, som består af et tyndt lag af kulstofatomer. Det er kun ét atom i tykkelsen.

Grafen bliver ofte omtalt som et vidundermateriale, bl.a. på grund af dets fabelagtige evne til at lede strøm.

Læs mere her om grafens særlige evner her

»Et lag i lagkagen kunne for eksempel bestå af supermaterialet grafen (se faktaboks, red.), som så kan pakkes ind i andre lag, der måske beskytter de sarte grafen-lag mod ridser og fremmede partikler. Eller mere avancerede 'lagkager', der kan fungere som bøjelige solceller eller lys-paneler,« fortæller Peter Bøggild om metoden, som hans forskningsgruppe tidligere har udviklet, og som du kan læse om her.

I det nye studie går forskerne skridtet videre og laver superfine mønstre i de enkelte lag af lagkagen.

»Vi kunne i forvejen kontrollere atomerne i den ene retning (lodret. red.) – lag på lag, hvor hvert enkelt lag kun er ét atom i tykkelsen. Nu kan vi også kontrollere processen på det andet led. Her kan vi danne mønstre, som kun er 10-15 atomer i bredden. Så vi er ved at være i stand til at kunne bygge mønstre med ganske få atomer ad gangen og på flere ledder,« siger Peter Bøggild.

Han tilføjer, at der er første gang, det er lykkedes at få materialer, som kun er et enkelt atom tykke, til at lave selvorganisering.

Professor: De har ikke fuld kontrol

kvanteprik nanoteknologi tunnel skanning

En forskningsgruppe fra Aarhus Universitet har lavet særlige skanninger, som viser, hvad der foregår på nanoskala. De to nederste dele af illustrationen er skanningsbilleder fra studiet, mens den øverste er en illustration af, hvordan de atomtynde lag organiserer sig i mønstre – såkaldte kvanteprikker. (Illustration: DTU)

Professor Per Hedegård, som ikke har været med til at lave studiet, er enig i, at det er et fremskridt inden for feltet. Men han påpeger, at forskerne endnu ikke har fuldstændig kontrol over, hvilke mønstre der bliver dannet i de tynde atom-lag.

»Hvis man tænker på det som typehuse, vil man selvfølgelig gerne danne dem helt ens,« siger Per Hedegård, som er professor i faststoffysik ved Niels Bohr Institutet på Københavns Universitet. Han fortsætter:

»Her er der tale om, at der er temmelig stor forskel fra hus til hus. Husene er cirka samme størrelse, men de står ikke sammen i et perfekt mønster. Men der er en tendens til et mønster, og det er kun det første studie. Hvis det lykkes dem at forfine metoden og danne et perfekt mønster, vil det være en virkelig velegnet metode til at bygge ny elektronik.«

Professor Peter Bøggild håber også selv på, at den nye selvorganiserende byggemetode kan forbedres og bruges til at fremstille ny og mindre elektronik i fremtiden.

De mønstre, som de bygger i studiet, er 15-20 atomer på hvert led. Det er ekstremt småt. Hvis du sammenligner med din lineal, kan der ligge cirka 100 millioner atomer ved siden af 1 cm.

Per Hedegård, professor, Københavns Universitet

»Mange af de teknologier, som vi skal bruge i fremtiden – computerchips, supercomputere og nye måder at lagre data på – er afhængige af, at vi kan danne mønstre på meget lille skala, og mønstrene skal helst blive mindre og mindre. Vi er ved at have nået grænsen for, hvor små tingene kan bygges med vores nuværende teknikker. Vores 'blyanter' kan snart ikke spidses mere. Derfor er selvorganisering et interessant alternativ,« siger Peter Bøggild.

Med andre ord: Hvis musikken spiller efter forskernes hoveder, og alt går, som de håber på, kan man få fremtidens elektroniske dimser til at være endnu mindre, og så kan de oven i købet bygge sig selv.

Kvanteprikker

I det nye studie danner forskerne mønstre i ekstremt tynde materialer.

De tynde materialer er såkaldte todimensionale krystaller, som kun er ét atom i tykkelsen.

Det er første gang, det er lykkedes forskere at få atomerne i todimensionale krystaller til at organisere sig selv og danne mønstre.

Mønstrene, som dannes, kaldes også for kvanteprikker.

Kvanteprikkerne består af små øer af kulstofatomer, som er gået sammen.

Kvanteprikker kan benyttes i moderne teknologi. For eksempel til at lave bedre og skarpere fladskærme.

Kilde: Peter Bøggild

»Men der er stadig lang vej endnu, før man kan bruge det her til at bygge elektronik,« påpeger Per Hedegård.

Sådan gør forskerne

Men hvad er strategien for at nå i mål? Hvordan får man atomer til at danne mønstre og blive til elektronik af sig selv?

Peter Bøggild mener, at en del af løsningen måske kan findes i det nye studie.

Studiet tyder nemlig på, at det metal-underlag, som de tynde materialer bliver bygget på, spiller en vigtigere rolle end hidtil troet.

»Vi ved ikke præcis, hvordan det sker, men vi er ret sikre på, at det specielle metal, vi bruger som underlag, påvirker atomerne ganske meget og direkte hjælper dem med at finde på plads i mønsteret,« siger Peter Bøggild, som tilføjer, at kunsten er at ramme den rigtige temperatur og det rigtige tryk for, at mønstret bliver helt perfekt.

Samarbejde med IBM og Brookhaven

I studiet har forskerne brugt det sjældne og dyre metal iridium som underlag. Men andre metaller kan måske også bruges til at lokke atomer til at organisere sig på nye måder, påpeger en af de andre forskere bag studiet, lektor Liv Hornekær fra Aarhus Universitet.

»En ny teoretisk model udviklet af samarbejdspartner Jerry Tersoff fra IBM indikerer, at netop iridiums indblanding er det, der gør, at det fungerer – og at andre metaller måske kan spille samme rolle,« siger Liv Hornekær i en pressemeddelelse.

Hendes forskningsgruppe har bidraget til studiet ved at lave såkaldt skanning-tunnelmikroskopi – en særlig form for skanning, hvor det er muligt at se enkelte atomer oven på overfladen af materialer.

Ud over danske forskere fra Danmarks Tekniske Universitet og Aarhus Universitet har også forskere fra virksomheden IBM og det amerikanske Brookhaven National Laboratory deltaget i studiet, som er publiceret i det videnskabelige tidsskrift Nature Communications.