6.5 Materialegenskaper

Når størrelsen forandrer alt

Tenk deg at du kunne bygge materialer atom for atom, og skreddersy egenskapene akkurat slik du vil. Det høres ut som science fiction, men det er kjernen i nanoteknologi -- vitenskapen om å forstå og kontrollere materialer på nanoskalaen, mellom 1 og 100 nanometer. Én nanometer er en milliondels millimeter, rundt 100 000 ganger tynnere enn et hårstrå.

Det underlige er at materialer oppfører seg helt annerledes her. Gull, som ellers er gyllent og kjemisk stabilt, kan bli rødt eller blått som nanopartikler -- og plutselig fungere som katalysator. Karbon, som vi kjenner som blyantgrafitt, kan danne rør som er sterkere enn stål. I dette kapittelet skal du lære om nanoskalaen, om materialer som grafén og karbonnanorør, og om hvordan nanoteknologi kan endre alt fra medisin til energi.

Hvorfor nanoskalaen er spesiell

Nanoskalaen omfatter strukturer fra 1 til 100 nanometer. For å få et bilde: et vannmolekyl er rundt 0,3 nm, DNA-tråden er 2 nm bred, og et virus 20-300 nm. Men hvorfor får materialer nye egenskaper her? Svaret ligger i ett avgjørende forhold: forholdet mellom overflate og volum.

Når du deler et materiale i stadig mindre biter, vokser overflaten dramatisk i forhold til volumet. En gullkube med sider på 1 cm har en overflate på 6 cm². Deler du den samme gullmengden i nanokuber på 10 nm, får du rundt en trillion biter -- og en samlet overflate på hele 600 m². Det er en timillion ganger så mye overflate fra nøyaktig samme mengde gull. Siden atomene på overflaten oppfører seg annerledes enn de inni, og siden kvantemekaniske effekter slår inn, blir nanomaterialer fundamentalt forskjellige fra det samme stoffet i stor skala.

Dette gir slående endringer. Gullnanopartikler absorberer lys ved andre bølgelengder og kan se røde eller blå ut. De blir gode katalysatorer, selv om vanlig gull er reaksjonstreg. Halvledende nanopartikler, kalt kvanteprikker, endrer sine elektriske egenskaper med størrelsen, slik at man kan «stille inn» fargen på lyset de gir. Og enkelte nanomaterialer leder varme bedre enn noe annet kjent stoff. Den enorme overflaten er nøkkelen til det hele.

Grafén og karbonnanorør

Det mest berømte nanomaterialet er grafén -- et todimensjonalt materiale av karbonatomer i et bikubemønster, bare ett atom tykt. Det ble isolert for første gang i 2004 av Andre Geim og Konstantin Novoselov i Manchester, som rett og slett brukte tape til å skalle av lag etter lag fra grafitt. De fikk Nobelprisen i fysikk for det i 2010.

Grafénets egenskaper er nesten ufattelige. Det er det sterkeste materialet som er målt -- med en strekkstyrke på rundt 130 GPa, som er hundrevis av ganger sterkere enn stål, men nesten vektløst. Det leder varme bedre enn noe annet kjent stoff, og leder strøm langt bedre enn silisium. Samtidig er det nesten gjennomsiktig og fleksibelt. Regner vi om, er grafén rundt 325 ganger sterkere enn konstruksjonsstål, men bare 0,34 nm tykt. Det gjør det interessant for ultrarask elektronikk, bøybare skjermer, superkondensatorer som lades på sekunder, sterkere kompositter, vannrensing og målrettet medisin. Den store utfordringen er at det fortsatt er vanskelig å produsere grafén av høy kvalitet i store mengder til rimelig pris.

Nært beslektet er karbonnanorør -- som kan tenkes som et grafénark rullet til et rør. De har diameter på 1-50 nm og kan være flere millimeter lange. Det finnes enkeltveggede rør med ett karbonlag og flerveggede med flere rør inni hverandre, som russiske dukker. Karbonnanorør er ekstremt sterke, over hundre ganger sterkere enn stål, leder strøm svært godt, og kan -- avhengig av hvordan grafénlaget er rullet -- være enten metalliske eller halvledende. De brukes allerede i kompositter til sykkelrammer, tennisracketer og romfart, og som tilsetning i batterier.

Fremtiden -- og forsiktigheten

Nanoteknologien beveger seg raskt, og flere spennende materialer er på vei. Kvanteprikker er halvledende nanopartikler som sender ut lys i en farge som avhenger av størrelsen, og brukes allerede i QLED-TV-er. Aerogeler er ekstremt lette materialer som kan bestå av opptil 99,8 prosent luft og isolerer fantastisk -- silika-aerogel kalles «frossen røyk» og brukes av NASA på romsonder. Og selvhelende materialer inneholder små kapsler med reparasjonsmiddel som frigjøres når materialet skades, slik at maling, betong eller plast i prinsippet kan «lege seg selv».

Men med disse mulighetene følger viktige spørsmål, og dem skal vi se nøkternt på. Nanopartikler er så små at de kan trenge inn i celler og krysse biologiske barrierer som større partikler ikke kommer gjennom -- til og med blod-hjerne-barrieren. Helseeffektene av langvarig eksponering er ennå ikke fullt kartlagt, og det er reell usikkerhet om hva som skjer når nanomaterialer havner i naturen og tas opp i næringskjeden. Derfor anvendes føre-var-prinsippet aktivt i reguleringen: EU krever merking av produkter som inneholder nanomaterialer, og det er innført egne arbeidsmiljøregler for håndtering av nanopartikler.

Nanoteknologi rommer altså et enormt potensial -- innen medisin kan målrettet medisinlevering bringe legemidler direkte til kreftceller, og kvanteprikker kan gi tidligere diagnoser. Men en ansvarlig utvikling krever grundig testing og en balansert avveining mellom de store mulighetene og de reelle, om enn delvis ukjente, risikoene.

Oppsummering

Vi har sett at nanoskalaen (1-100 nm) gir materialer helt nye egenskaper fordi overflate-til-volum-forholdet vokser dramatisk og kvanteeffekter slår inn. Grafén -- ett atomlag karbon -- er verdens sterkeste, tynneste og best ledende materiale, og karbonnanorør er opprullet grafén med ekstrem styrke.

Nanoteknologi åpner enorme muligheter innen elektronikk, energi og medisin, fra superkondensatorer til målrettet medisinlevering. Men den reiser også viktige spørsmål om helse og miljø, fordi partiklene er små nok til å trenge inn i celler. Derfor anvendes føre-var-prinsippet, og ansvarlig utvikling krever en balansert avveining mellom store muligheter og reelle, delvis ukjente, risikoer.