Historien om nanoteknologi: Fundamentet for en kommende teknologisk revolution?

'Der er masser af plads på bunden', var titlen på et foredrag, som fysikeren Richard Feynman holdt for American Physical Society 29. december 1959.

Det var ikke bunden af samfundet, Feynman henviste til, men bunden af den kendte størrelsesskala for fysiske objekter, dvs. molekylært eller atomart niveau.

Hvis man kunne bruge enkelte atomer til at lave en kode for bogstaver, tal og andre tegn, kunne man sagtens samle teksterne i alle verdens bøger på et areal svarende til en støvpartikel, sagde Feynman i 1959.

Han gav også hints til, hvordan det i givet fald kunne lade sig gøre ved hjælp af bittesmå maskiner.

Han forestillede sig, at man kunne lave en meget lille maskine, der kunne flytte rundt på de enkelte atomer, og så en lidt større til at betjene den første maskine, og så en lidt større igen, og så fremdeles, indtil man havde en maskine, der var stor nok til, at et menneske kunne betjene den.

Altså, en kæde af maskiner fra den helt store maskine i menneskestørrelse til de bittesmå maskiner i atomstørrelse.

Der var ifølge Feynman ingen principielle problemer forbundet med at lave sådanne maskiner, kun det praktiske problem, at det endnu ikke kunne lade sig gøre.

Feynmans ideer var før sin tid

Feynmans tale havde ingen umiddelbare virkninger i samtiden – udover dens underholdningsværdi.

Det var først, da forskere i løbet af 1980’erne fandt ud af, hvordan man rent praktisk kan manipulere objekter på atomart eller molekylært niveau, at Feynmans ideer igen blev aktuelle.

Feynman brugte ikke selv betegnelsen nanoteknologi, som i dag dækker over en række forskellige metoder til at kontrollere molekyler og atomer til bestemte formål.

Nanoteknologi blev først introduceret af den japanske forsker Norio Taniguchi (1912-1999) i 1974, men gik så i glemmebogen igen, indtil det 12 år senere blev relanceret af amerikaneren K. Eric Drexler (f. 1955).

Nanometer er ubegribeligt småt

Nanoteknologi har fået sit navn fra måleenheden nanometer, der er en milliardtedel af en meter.

Det er helt ufatteligt småt.

Et hår er typisk 60.000 nanometer tykt.

Den støvpartikel, som Feynman ville skrive alle verdens bøger på, kan knap ses med det blotte øje, men har alligevel et areal svarende til 100 millioner kvadrat-nanometer, altså 10.000 gange 10.000 nanometer.

Drexler ikke den første, men en af de vigtigste

K. Eric Drexler var som nævnt ikke den første, der genopdagede og videreudviklede Feynmans ideer, men han fik stor opmærksomhed.

I bogen 'Engines of Creation: The Coming Era of Nanotechnology' fra 1986 udfoldede han sin vision for, hvad opfindelser inden for feltet nanoteknologi vil kunne føre til.

Han forestillede sig blandt andet en molekylær 'assembler', som er en maskine, der kan styre biokemiske reaktioner ved at dirigere de reagerende molekyler med atomar præcision.

Ved at udvikle denne teknik vil man kunne lave små medicinrobotter, der for eksempel kan rense blodårerne indefra, eller små miljøskrubbere, der fjerner uønskede partikler i luften.

I bogen beskrev Drexler også et skrækscenarium, hvor de molekylære maskiner løber løbsk og fortærer hele verden i forsøg på at reproducere sig selv.

Drexler kaldte det for 'grey goo', altså en grå, klæbrig masse, og skrækscenariet lå senere til grund for gyserromanen 'Sværmen' skrevet af Michael Crichton (1942-2008).

Første gennembrud fandt sted i 1981

Det første egentlige forskningsmæssige gennembrud inden for nanoteknologi fandt sted i 1981, altså, 5 år før Drexler beskrev sine visioner for feltet nanoteknologi og på et tidspunkt, hvor betegnelsen nanoteknologi ikke var almindelig kendt blandt forskere.

Gerd Binnig (f. 1947) og Heinrich Rohrer (1933-2013), ansat ved IBM’s forskningslaboratorium i Zürich, opfandt et nyt instrument, som kan bruges til at visualisere atomare overflader med en opløsning på nanometer-niveau, det såkaldte skanningtunnelmikroskop (STM).

Kun fem år senere modtog de to nobelprisen for deres arbejde sammen med Ernest Ruska (1906-1988), der allerede i 1931 havde bygget verdens første elektronmikroskop.

Ruskas elektronmikroskop, der virker ved at sende en stråle af elektroner gennem et materiale, blev videreudviklet af Siemens.

Siemens markedsførte i 1939 det første kommercielle elektronmikroskop under navnet Siemens Super Microscope, som kunne visualisere genstande på nogle få hundrede nanometer. I dag har elektronmikroskoper stort set samme opløsning som STM.

Man så for første gang, hvordan atomer fordelte sig

STM består grundlæggende af en meget spids metalnål, der skannes tæt hen over den undersøgte overflade, men uden at røre.

Hvis nålen er tæt nok på overfladen, kan der gå en strøm igennem gabet mellem nålespidsen og overfladen, selv om der ikke er kontakt.

Det er den såkaldte kvantemekaniske tunneleffekt, der er på spil.

Tunnelstrømmen varierer som funktion af afstanden mellem nålespidsen og overfladen, og omvendt.

I Binning og Rohrers første STM-forsøg blev tunnelstrømmen holdt konstant, hvilket medførte udsving i nålen, der var ophængt i en meget fintfølende sensor.

Binning og Rohrer målte nålens udsving, mens den skannede en siliciumoverflade, og kunne derefter producere billeder af overfladens atomare struktur med en opløsning, der var meget bedre end de eksisterende elektronmikroskoper.

For første gang kunne man faktisk 'se', hvordan de enkelte atomer fordeler sig på overfladen.

Binning og Rohrers STM var i princippet en simpel konstruktion, og den blev hurtigt kopieret verden over.

Første danske STM blev bygget

I Danmark byggede tre forskere ved Aarhus Universitet, Flemming Besenbacher (f. 1952), Erik Lægsgaard (f. 1941) og Ivan Stensgaard (f. 1945), et STM i 1987.

Det var her i landet det første STM, der var i stand til at frembringe billeder af de enkelte atomer på en overflade af grafit.

På grund af dets evne til at afbillede dynamiske atomare processer på overfladen har det vundet international anerkendelse som 'The Aarhus STM'.

I dag bliver det brugt af forskningsgrupper verden over i en kommercielt tilgængelig version.

STM’s succes gav incitament til udvikling af lignende instrumenter.

Et af disse er atomar-kraftmikroskopet (Atomic Force Microscope, AFM), der blev opfundet af Binnig i 1986. Det var samme år, som han modtog nobelprisen for sit arbejde med STM.

I AFM skanner man også overflader med en spids nål for at opnå information om overfladens atomare struktur. Til forskel fra STM kommer nålen i et AFM dog i berøring med selve overfladen.

I stedet for den kvantemekaniske tunnelstrøm måler et AFM de kraftpåvirkninger, som nålen udsættes for, når den trækkes hen over overfladen.

Nålens udsving registreres af et fintfølende måleapparatur, for eksempel ved hjælp af en laser eller en sensor.

Kan bruges til at flytte rundt på atomer

Man kan også bruge instrumenter som STM og AFM til at flytte atomer rundt på selve overfladen.

I november 1989 lykkedes det to IBM-forskere at skrive bogstaverne I-B-M med 35 xenonatomer på en nikkeloverflade. Hvert bogstav målte 5 nanometer i højden.

Formålet var dog ikke at skrive bøger i nanoskala, sådan som Feynman forestillede sig det. Det var muligheden for at kunne bygge nye atomare strukturer til brug i computere, der var begrundelsen – ud over den publicity, som IBM fik ud af det.

I dag bruger man STM, AFM og andre metoder til at lave nanostrukturer i overflader til mange forskellige formål, blandt andet fremstilling af integrerede kredsløb og inden for biomedicin.

En anden vigtig udvikling i nanoteknologi i 1980'erne var opdagelsen af de såkaldte fullerener, som er en særlig gruppe af komplekse kulstofforbindelser.

Den bedst kendte er det sfæriske molekyle C₆₀, som først blev fremstillet af Robert Curl (født 1933), Harold Kroto (født 1939) og Richard Smalley (1943-2005), alle nobelpristagere i 1996.

De kaldte molekylet 'buckminsterfullerene' efter den amerikanske arkitekt, Buckminster Fuller (1895-1983), som i 1954 udtog patent på en geodætisk kuppel lavet af et gittersystem af rør.

Buckyballs fik hurtigt stor interesse

I 1990 opfandt to fysikere en metode til at producere buckminsterfullerener eller buckyballs i store mængder, hvilket straks medførte stor interesse for materialet.

I løbet af kun tre år blev der udtaget op mod 300 nye patenter med relation til buckyballs.

Andre fullerener er kulstof-nanorør, som først blev opdaget i 1952 af to russiske forskere.

De brugte et elektronmikroskop til at producere billeder af den cylindriske kulstofstruktur, men deres artikel blev kun udgivet på russisk og fik på grund af den kolde krig stort set ingen opmærksomhed.

Andre forskere har siden genopdaget strukturen, men det var den japanske fysiker Sumio Iijimas (født 1939) arbejde, der i 1991 var anledningen til den aktuelle interesse for kulstof-nanorør.

Ligesom mange andre fullerener har kulstof-nanorør interessante materialeegenskaber, som ville kunne finde anvendelse inden for mange forskellige områder såsom elektronik, biomedicin og materialer.

Nanoteknologi fundamentet for en teknologisk revolution

På grund af de mange lovende anvendelsesmuligheder er interessen for nanoteknologi vokset støt siden opfindelsen af STM, AFM og fullerener.

Mange forskere omtaler nanoteknologi som fundamentet for en kommende teknologisk revolution.

I januar 2000 annoncerede præsident Bill Clinton (f. 1946) den amerikanske regerings National Nanotechnology Initiative med ordene:

»Nogle af vores forskningsmål kan tage 20 eller flere år at opnå. Det er netop derfor, at regeringen har en vigtig rolle at spille for forskningen.«

Det offentlige budget for NNI i 2015 er over 1,5 milliard US dollars. Inspireret af blandt andet USA udgav den danske VK-regering i december 2004 handlingsplanen 'Teknologisk Fremsyn – nanoteknologi'.

Ambitionen var, at Danmark frem mod år 2020 skal »være iblandt de absolut bedste lande i verden til – inden for udvalgte områder – at beherske og omsætte nanoteknologi til industriel anvendelse, øget vækst og beskæftigelse – og til løsninger af væsentlige samfundsmæssige behov«.

Satsningerne har betydet, at nanoteknologi i dag er en fast bestanddel af den danske og internationale forskningsverden.

Nanoteknologi er et tværfagligt forskningsområde

Nanoteknologi og -videnskab er et stort tværfagligt forskningsområde, der tiltrækker forskere fra mange discipliner, for eksempel materialefysik, biomedicin, molekylærbiologi, kemi, toksikologi, miljøbiologi og etik.

Der er universitetsuddannelser i nanoteknologi og -videnskab, og der er allerede mange produkter på markedet, der anvender nanoteknologisk viden og teknikker.

Materialer og tilsætningsstoffer, hvis nanostrukturer er blevet fabrikeret til specifikke formål, bliver for eksempel brugt i sikkerheds- og sportsudstyr, værktøj, elektronik, skærme, kosmetik og opbevaring af fødevarer.

Mange forskere argumenterer for, at nanoteknologi på grund af de mange anvendelsesmuligheder kan bidrage med tekniske løsninger på globale problemstillinger:

Klimaforandringer, drikkevand, bæredygtig energiforsyning, sundhed og fødevarer til den stadigt stigende befolkning i verden.

Samtidig er der fokus på eventuelle risici forbundet med brug af nanoteknologi, som for eksempel konsekvensen af at introducere nye nanopartikler i miljøet.

Som alle andre opfindelser er nanoteknologi som et tveægget sværd:

Den giver os mange nye muligheder, men stiller os også over for nye udfordringer.