3.2 Nanomaterialer og egenskaper

Byggesteiner i nanoverdenen

Vi vet nå hvorfor nanoskalaen er spesiell -- det høye overflate-til-volum-forholdet og kvanteeffektene. Nå skal vi møte selve byggesteinene: de viktigste typene nanomaterialer og deres unike egenskaper. Det fascinerende er at formen avgjør nesten alt.

Vi sorterer nanomaterialer etter dimensjonalitet -- hvor mange retninger som er på nanoskala. 0D (nulldimensjonale) er nano i alle tre retninger, som kvanteprikker og metallnanopartikler. 1D er nano i to retninger, men makroskopisk i den tredje -- som nanorør og nanotråder. 2D er nano i bare én retning, som grafén og tynne filmer. Og 3D er bulk-materialer med nanostruktur i seg, som nanokompositter. Denne inndelingen er viktig fordi dimensjonaliteten avgjør hvilke kvanteeffekter som dominerer, og dermed hvilke egenskaper materialet får.

Metallnanopartikler og nanorør

La oss starte med metallnanopartiklene -- 0D-strukturer av gull, sølv, platina og jernoksid. Hver har sin spesialitet. Gullnanopartikler viser plasmonresonans og brukes i hurtigtester (som COVID-19-tester og graviditetstester), kreftbehandling og katalyse. Sølvnanopartikler er sterkt antibakterielle fordi de frigir sølvioner ($\text{Ag}^+$) som forstyrrer bakteriers membraner -- de finnes i bandasjer, tekstiler og vannrensing. Hvorfor er nanosølv så mye mer effektivt enn en sølvklump? Fordi det enorme overflate-til-volum-forholdet frigir langt flere ioner per masseenhet, og fordi overflateatomene oksideres lettere. Platina-nanopartikler er kraftige katalysatorer i bilkatalysatorer og brenselsceller, og jernoksidnanopartikler er superparamagnetiske og brukes som MR-kontrastmidler.

Går vi over til 1D, møter vi nanorørene -- rørformede strukturer, typisk 1-100 nm i diameter, men opptil millimeter lange. De mest kjente er karbonnanorør (CNT), som kan tenkes på som et opprullet grafénark. De finnes enkeltveggede (SWCNT, 0,4-2 nm) eller flerveggede (MWCNT, som russiske dukker). Egenskapene er ekstreme: strekkfasthet opptil 63 GPa (rundt 100 ganger sterkere enn stål ved samme vekt), termisk ledningsevne bedre enn diamant, og en vekt på bare en sjettedel av stål.

Det mest fascinerende er at de elektriske egenskapene avhenger av kiraliteten -- vinkelen arket er rullet under, angitt med en vektor $(n, m)$. Regelen er elegant: et rør er metallisk når $(n - m)$ er delelig med 3, ellers halvledende. Et rør med $(6, 3)$ gir $n - m = 3$, delelig med 3, altså metallisk. Et armchair-rør $(n, n)$ er alltid metallisk. Statistisk blir rundt 1/3 av tilfeldige SWCNT metalliske og 2/3 halvledende -- og å styre dette under produksjon er en av de store utfordringene.

Kvanteprikker og nanokompositter

De kanskje mest spennende nanomaterialene er kvanteprikkene -- halvleder-nanokrystaller på 2-10 nm, med fra noen hundre til noen tusen atomer. De er 0D-materialer der elektronene er innesperret i alle tre retninger. Som vi så i forrige kapittel, kan de optiske egenskapene finjusteres bare ved å endre størrelsen: små prikker gir blått lys, store gir rødt. Sammenhengen er $\displaystyle E_g \propto \frac{1}{r^2}$, så mindre radius gir større energigap og blåforskyvning.

Vanlige typer er CdSe/ZnS (best studert), InP/ZnS (kadmiumfritt og mindre giftig) og perovskitt-kvanteprikker (nye og billige). Kjerne-skall-strukturen, der et beskyttende skall omslutter kjernen, gir høy lysstyrke -- moderne kvanteprikker kan ha kvanteutbytte over 90 %. Bruksområdene er mange: QLED-skjermer (der en blå LED eksiterer prikker som lager rent rødt og grønt), medisinsk avbildning der prikker konjugert med antistoffer merker celler i ulike farger, og solceller. I en QLED gir prikker på 5 nm rødt, 3,5 nm grønt og 2,5 nm blått -- alt fra samme materiale.

Hvorfor velge kvanteprikker framfor vanlige fluorescerende fargestoffer i medisin? Fordi de har smalere emisjonsprofil (renere farger), høyere lysstyrke, størrelsesjusterbar farge og bedre fotostabilitet.

Til slutt møter vi nanokomposittene -- 3D-materialer der nanofyllstoffer blandes inn i en matrise. Selv små mengder gir dramatiske forbedringer: bare 0,5 vektprosent karbonnanorør kan doble seigheten til en polymer, og nanoleire i nylon brukes som barriere mot gass og fukt i emballasje. På denne måten utnytter ingeniører nanoegenskapene i materialer vi kan ta og føle på.

Oppsummering

Vi har sett at nanomaterialer sorteres etter dimensjonalitet: 0D (nanopartikler, kvanteprikker), 1D (nanorør), 2D (grafén) og 3D (nanokompositter). Metallnanopartikler av gull, sølv og platina har uventede optiske, antibakterielle og katalytiske egenskaper takket være den store overflaten. Karbonnanorør er ekstraordinært sterke og lette, og kiraliteten $(n, m)$ bestemmer om de er metalliske -- når $(n-m)$ er delelig med 3 -- eller halvledende.

Kvanteprikker er halvleder-nanokrystaller med størrelsesjusterbare farger, der energigapet vokser som $\displaystyle \frac{1}{r^2}$. Nanokompositter blander nanofyllstoff inn i en matrise for å forbedre styrke, ledningsevne eller barriereegenskaper. I alle tilfeller er det formen og størrelsen, ikke bare materialet, som avgjør egenskapene.