Nanoscience – et tværvidenskabeligt felt

Præfikset ‘nano’ stammer fra det græske ord for dværg og henviser således til noget småt.

Som præfiks for en enhed i tid eller længde betyder det en tusindedel af en milliontedel af den enhed.

En nanometer (nm) er altså 0,000 000 001 meter.

Prikken over dette ‘i’ er ca. en million nanometer stort.

Naturens byggesten, atomerne og molekylerne, har dimensioner på nanometerskalaen.

I en dråbe vand med en diameter på 1 nm kan der være et hav af vandmolekyler, og eksempelvis er dnahelixen ca. 2 nm bred.

Tværvidenskabeligt af natur

Nanobegrebet kan virke svært definerbart, men vi vil her prøve at indkredse, hvordan vores forståelse efter mange år i nanocirkler har udkrystalliseret sig.

Nanoscience er af natur tværvidenskabelig. For på det atomare og molekylære niveau forsvinder skellene mellem fysik, kemi, biologi og medicin og mange nye opdagelser ligger netop og venter på fagenes grænseflader.

For eksempel skal man for at udvikle en nanobiosensor, der kan detektere for eksempel miltbrand, have viden om både fysik (til signaludlæsning), kemi (til funktionalisering af sensoren) og molekylærbiologi (til at designe de genkendende molekyler) og måske endda medicin (til at identificere de klinisk relevante molekyler).

Store visioner – undtagen i Danmark

Det gav straks genlyd i både forskningsverdenen og den politiske verden, da daværende præsident Clinton i en tale i januar 2000 erklærede, at den amerikanske stat ville investere betydelige midler i nanoteknologi, en satsning der blev udmøntet i The US National Nanotechnology Initiative i 2001.

Argumentet var, at det ville tage op imod 25 år, før det amerikanske samfund ville kunne nyde godt af de visioner, nanoteknologien stillede i udsigt.

Derfor var det nødvendigt med store offentlige investeringer inden for området.

Det har siden ikke skortet på de store visioner og offentlige og private investeringer i mange I-lande. Ikke mindst USA, Kina og Rusland, hvorimod vi i Danmark stadig mangler en national nanosatsning som opfølgning på den fremsynsrapport, der blev publiceret i 2004.

Nanoscience – evolution frem for revolution

Som udgangspunkt defineres nanoscience som forskning i fænomener, der opstår, når objekter når nanostørrelse, og nanoteknologier som anvendelserne deraf.

Det kan være kvantiseret ledningsevne i tynde nanotråde, nanokatalysatorer, hvor små nanopartikler rummer de aktive sites og ændrer reaktiviteten – eller endog nanostrukturerede overfladers vekselvirkning med celler.

Nanoscience er ikke en revolution inden for forskningsverdenen, som det ofte fremstilles i pressen.

Det er snarere en naturlig udvikling (evolution) af kendte forskningsfelter.

Vi er blot over tid blevet i stand til at karakterisere, designe og syntetisere materialer med større og større, i visse tilfælde atomar, præcision.

Tæt samspil

Mest revolutionerende er snarere den tværvidenskabelige tilgang til forskningen inden for mange centrale områder inden for nanoscience hvor de traditionelle faggrænser mellem fysik, kemi, biologi molekylær biologi er blevet nedbrudt.

Et andet kendetegn ved nanoscience er et tæt samspil mellem karakterisering, syntese og modellering.

En lang række eksperimentelle teknikker er over tid blevet udviklet, som gør der muligt at syntetisere og karakterisere den detaljerede geometriske og elektroniske struktur og kemiske sammensætning af 2D- og 3D-nanostrukturer, nanomaterialer og nanoklynger bestående af både metaller, halvledere, polymerer, kompositter og bio-uroganiske og organiske materialer.

Det ultimative mikroskop

Med forbehold for en vis subjektiv indgangsvinkel kunne man med nogen ret påstå, at kilden til hele nanoeventyret begynder i Zürich, Schweiz, hvor de senere Nobelpristagere Gerd Binnig og Heinrich Rohrer omkring 1980 udviklede det ultimative mikroskop: Scanning Tunneling-Mikroskopet (STMet, se boks).

Dette fantastiske instrument gjorde det for første gang muligt at afbillede de enkelte atomer og molekyler i overflader af materialer.

Her er det vigtigt at erkende, at de atomart opløste billeder har givet forskere mulighed for på en helt anden måde at visualisere og ‘se’ atomare og molekylære strukturer, følge dynamiske processer i form af atomart opløste STM-film.

Det har revolutioneret forskningsfeltet at kunne ‘se’, om nanostrukturer er ordnede eller uordnede eller at kunne se defekter på for eksempel nanoklynger.

En rationel tilgang til nanomaterialer

Udviklingen af STM og mange andre beslægtede mikroskopiteknikker parallelt med optimeringen af mere traditionelle spredningsteknikker har gjort det muligt at karakterisere materialer med hidtil uset præcision. Viden om materialers struktur på atomart niveau har medført større forståelse og dermed kontrol over materialesyntese.

Endelig er teoretisk modellering i kraft af større computerkraft og bedre teoretiske værktøjer.

For eksempel er såkaldt tæthedsfunktionalteori, begyndt at blive en aktiv medspiller i et smukt cirkulært samspil mellem analyse, syntese og beregninger.

Et tæt samspil mellem eksperimentatorer og teoretikere har vist sig uhyre givtigt i dels en detaljeret fortolkning af eksperimentelle resultater, dels til at designe syntesen af nye nanomaterialer. Også her kan man tale om tværvidenskabelig forskning!

Mulighed for at designe katalysatorer

Tilgangen til materialeudvikling bevæger sig derfor i dag væk fra en slags “cook and look” alkymi hen mod rationelt design af nanomaterialer med nye funktionelle egenskaber designet til specifikke anvendelser.

Et godt eksempel kan findes inden for katalyse, der spiller en afgørende rolle både i vor energiproduktion og ved løsningen af vigtige miljøproblemer. Ved brug af avancerede nanoteknologiske teknikker, bl.a. STM, og teoretiske metoder er der på det seneste sket et gennembrud i den detaljerede forståelse af katalysatorers struktur og egenskaber.

Vi er dermed ved begyndelsen af en helt ny æra, hvor det måske bliver muligt at designe katalysatorer med forudbestemte egenskaber til anvendelser i den kemiske industri eller til at løse energi- og miljøproblemer (se boks).

Lær af naturen

Synergien i tværvidenskabeligt samarbejde opstår, når for eksempel fysikere, kemikere og molekylærbiologer gensidig drager nytte af inspiration fra de respektive fagkompetencer.

En af visionerne inden for nanoscience er at kunne kontrollere opbygningen af makroskopisk stof med atomar præcision.

Derved kan man kontrollere groningen af nye nanomaterialer med specifikke ønskede egenskaber.

Én metode til at gro nye nanostrukturer er den, vi kender fra halvlederindustrien, som vi refererer til som ‘topdown’.

Den udnytter vi i dag alle resultatet af i vores mobiltelefoner, bærbare computere og så videre.

Flere metoder

Ved hjælp af litografiske teknikker er man i stand til lave mindre og mindre nanostrukturer, oftest i halvledermaterialet silicium.

Det betyder at man kan opbygge flere og flere transistorer og integrerede kredsløb med større og større kapacitet.

En anden mulig metode til at opbyge stof er ‘bottom -up’ metoden, hvor man indbygger genkendelsesstrukturer i simplere byggestene, som efterfølgende kan bringes til at samle sig af sig selv.

Vi har længe vidst, at naturen udfører denne selvsamling af byggestene på meget smuk og sofistikeret vis, når den danner det molekylære system, som er det basale grundelement i alt liv.

Prisvindende nanokasse

Et glimrende nyere eksempel på netop denne fremgangsmåde blev publiceret af iNANO-centret i en Natureartikel i 2009, hvor vi for første gang viste, at vi kunne selvsamle en ‘DNA-nanokasse’.

Holdet bag resultaterne var molekylærbiologer, kemikere og fysikere og netop det tværfaglige forskningshold var en afgørende forudsætning for nanokassens succes.

Dagbladene Ingeniøren og Politiken udnævnte det til Årets Gennembrud i 2009, og nanokassen har opnået stor international bevågenhed, hvad en Googlesøgning også straks vil vise.

DNA-origami

Til opbygningen af kassen udnyttedes DNA’s meget specifikke genkendelsesegenskaber over for sin komplementære streng (Watson-Crick baseparring) og det faktum, at man kan folde DNA til en ønsket struktur, på samme måde, som man i Asien folder fantastiske strukturer ud fra et stykke papir (heraf betegnelsen ‘DNA-origami’).

I det givne tilfælde er et langt cirkulært stykke DNA foldet til en 3D-kasseform ved hjælp af specialdesignede stykker af ‘hæfteklamme-DNA’.

Molekylærbiologerne forstod at designe disse hæfteklammer og anvende de rigtige reaktionsparametre for at selvsamlingen kunne lykkes, kemikerne forstod at modificere DNA og fysikerne bidrog med karakteriseringsteknikker som elektron-, scanning-, probe- og enkeltmolekylær fluorescensmikroskopi.

Kun samspil kan udfolde potentialet

Lad os afslutningsvis pointere, at et meget vigtigt aspekt inden for nanoscience og nanoteknologier er udviklingen af bedre og bedre syntese-, karakteriserings- og modelleringsteknikker samt det helt afgørende tværvidenskabelige aspekt.

Kun gennem et tæt samspil mellem de traditionelle naturvidenskabelige discipliner kan vi gøre os forhåbninger om at indfri mange af de spændende forskningsmæssige og strategiske muligheder, der opstår på nanoskalaen.

Vi afbildede for første gang den atomare struktur af MoS2-trekanterne og påviste blandt andet eksistensen af den gule bræmme (‘brim’) langs kanten af disse MoS2-nanoklynger.

Disse bræmmer er en speciel elektronisk tilstand, der eksisterer på kanten af MoS2 nanoklynger.

De har vist sig at være afgørende for den katalytiske reaktion, hvor svovl fjernes fra råolie på et raffinaderi og derved medvirker til at sikre et langt bedre miljø for os alle.

Vores nære industrielle samarbejdspartner, Haldor Topsøe A/S, lancerede blandt andet på baggrund af den øgede eksperimentelle og teoretiske forståelse, der var opnået vedr. MoS2, verdens første katalysator, der levede op til de nye skærpede internationale miljøkrav, og de kaldte såmænd deres nye katalysator for ‘BRIM^TM katalysatoren’!

Lavet i samarbejde med Aktuel Naturvidenskab.