Vetenskapsrådet

Sammanfattning: Vad varje vetenskapsjournalist bör veta om nanoforskning

Pressmeddelande   •   Maj 19, 2004 09:28 CEST

Sammanfattning från presseminarium torsdag 13 maj 2004

Internationella vetenskapsfestivalen i Göteborg, arr Vetenskapsrådet i samarbete med Chalmers


Inledning

Lars Börjesson, t.f. huvudsekreterare Vetenskapsrådet, professor, tillämpad fysik, Chalmers.

Inom projektet Teknisk Framsyn är ett av fokusområdena material och materialflöden. I projektet har experter identifierat tillväxtområden som är viktiga för Sveriges framtid och skapat insikt och visioner om teknikutvecklingen på lång sikt. Tillämpningarna av materialforskning är exempelvis inom energiförsörjning, bl.a. solceller och batterier.

Nanoforskning finns inom många olika områden
Nanovetenskap handlar om det vi inte kan se, inte ens med optiska mikroskop.
Nanomaterial handlar om framställning av och nya egenskaper hos material och ytstrukturer.
I nanoteknologin är byggklotsarna enstaka molekyler (s.k. bottom-up). I den metod som används idag (s.k. top-down) etsas eller skärs strukturerna ut, t.ex. inom mikroelektronik.

I nanoområdets små dimensioner (en nanometer är en miljondels millimeter, ungefär 10 atomer på rad är en nanometer) uppträder nya funktioner och kvantfysikens effekter blir märkbara vilket ger både möjligheter och svårigheter. Nanovetenskap bedrivs ofta i samarbete mellan olika traditionella ämnesområden såsom fysik, kemi, biologi, medicin och geologi inom olika verksamheter som exempelvis elektronik, medicin, byggkonstruktion mm.

Vetenskapsrådet satsar årligen ca 40 miljoner kr på den bästa forskningen i grundläggande nanoforskning och stödjer också ett nytt nätverk med mikrofabriceringslaboratorier tillsammans med VINNOVA, SSF och Wallenbergstiftelsen. Svensk forskning inom nanovetenskap står sig mycket stark i en internationell jämförelse.


Om nanomaterial

Börje Johansson, professor, kondenserade materiens teori, Uppsala universitet.

Nanovetenskaperna är i sin linda och kommer att påverka hela teknikutvecklingen. Nanomaterialområdet är fortfarande outvecklat. I projektet Teknisk Framsyn fördes tidigt fram tre områden som särskilt betydelsefulla – material, informationsteknologi och bioteknik. Nanovetenskap ligger i alla tre men mest i materialområdet.

Nanoområdet började med svepmikroskop under tidigt 1980-tal. Den yttersta atomen på en tunn spets sveper över en yta och känner av strukturen genom att mäta kraften mellan spetsen och ytan. Mätningen omvandlas vanligtvis till bilder men kan också användas till att dra ut tunna trådar om spetsen exempelvis doppats i guld, på så sätt skapas en tråd med nanodimensioner. Ett annat sätt att göra nanotrådar är att med elektroner skjuta hål i en tunn guldfilm tills bara atomtunna trådar är kvar av filmen i mellanrummen mellan hålen. Detta gjordes år 1988.

Börje Johansson gör beräkningar på nanotrådar. De tunna trådarnas uppmätta dimensioner stämmer inte med teoretiska beräkningar av guldtrådar. I Börje Johanssons forskning beräknade energin och krafterna i trådar och gav en överensstämmelse med experimenten om guldatomerna sitter som ett pärlband omgivet av väteatomer. Detta tros idag vara den rätta beskrivningen av nanotrådar i guld, något som är mycket svårt att komma fram till med enbart experiment. Liknande frågeställningar är viktiga eftersom de lär oss hur världen ser ut och beter sig i nanoområdet, och först då kan man dra nytta av dess möjligheter.

Ett löftesrikt område inom nano är spinntronik – morgondagens elektronik. Elektronens laddning är basen i dagens elektronik. En annan mätbar egenskap hos elektronen är dess s.k. spinn som är orsaken till magnetism. Ett system där både magnetiska och elektriska egenskaper utnyttjas ger stora möjligheter till ny elektronik. Börje Johanssons grupp gör teoretiska beräkningar på olika kombinationer av material för att se vid vilka temperaturer magnetism uppträder. Vanligtvis blir material magnetiska vid nedkylning till mycket kalla temperaturer men forskningen har hittat materialkombinationer där magnetism uppträder vid rumstemperatur och därmed gör spinntroniken praktiskt möjlig.


Om nanotrådar

Anna Delin, forskare, tillämpad materialfysik, Kungliga tekniska högskolan.

Anna Delin vill locka fram magnetism där den inte finns. Många metaller blir magnetiska i tunna lager (två dimensioner) och i atomtunna trådar (en dimension). Ett problem är att trådarna oftast brister inom trettio sekunder. Tjockare trådar har en mycket ovanlig struktur där pärlband av atomer ligger vridna kring varandra och detta ger idéer om material med nya kristallstrukturer.

Dagens utmaningar är exempelvis att få trådarna att bli mer stabila och att undersöka hur de leder ström. Ett nytt område kan kallas molekylär elektronik där atomtunna metalltrådar blir stabila med hjälp av organiska molekyler som också ger möjlighet att använda trådarna i konstruktion av elektroniska komponenter.


Om nanostrukturer

Lars Samuelson, professor, fasta tillståndets fysik, Lunds tekniska högskola.

Dagens elektronik där komponenter etsas fram i kisel kommer snart att nå sin gräns för hur små komponenterna kan göras. Lars Samuelson utnyttjar istället naturens sätt att självorganisera sig och hans forskning har idag gjort det möjligt att styra hur ett material byggs upp på atomnivå.

Han jämför sin teknik med det gamla sättet att etsa genom att likna det vid ett träblock där formen snidas fram jämfört med ett bonzai-träd som odlas upp. Metoden gör det möjligt att bygga material i atomtunna pelare som också kan förgrenas så att resultatet blir ett område som ser ut som en skogsplantering i nanoskala.

Forskningen drivs av att lära sig hantverket bakom konstruktioner på nanonivå, exempelvis elektriska komponenter. Riktigt intressant blir den när en funktionell del placeras på trädet. Det kan till exempel vara en molekyl som används i lasrar och som gör att när en strömimpuls går genom den gren på nanoträdet där molekylen sitter utsänder den ljus. Resultatet blir en nanostor ”julgran”.
Ett sådant material kan användas som ljuskälla med mycket mindre energiförluster än dagens glödlampor och kan konstrueras till lysande stora ytor utan punktformiga ljuskällor. Samma teknik kan användas på omvänt sätt där molekylen istället fångar upp ljus och skickar en strömimpuls i trädet, något som kan bli tekniken bakom nya solceller där ström alstras från solens ljus.


Om nanomedicin och nanobiologi

Bengt Kasemo, professor, tillämpad fysik, Chalmers.

Inom medicin och biologi ger nanovetenskapen många möjligheter. Den kan göra det möjligt att ett vanligt blodprov räcker för att utföra hundratals olika tester istället för fem, sex stycken idag. Eller så kan proteser ges nya egenskaper om de förses med rätt nanostruktur på ytan. Försök visar exempelvis att leverceller växer med en hastighet som påverkas av nanostrukturen hos underlaget, något som kan utnyttjas till att öka tillväxten.

Kroppens celler reagerar olika på olika nanotopografi och ytkemi. Bengt Kasemos forskargrupp försöker därför lära sig styra cellers funktioner genom att kontrollera cellens omgivning på nanonivå. Celler är omslutna av ett membran där det finns proteiner och kanaler med vilka den kommunicerar med omgivningen. Hälften av alla läkemedel är därför riktade mot något av dessa proteiner. Bengts forskning lär sig att tillverka ytor täckta av membran som liknar cellens och där proteiner på ett kontrollerat sätt placeras ut för att sedan ge avsedd effekt i kontakt med celler. Exempelvis skulle stamceller kunna styras på önskvärt sätt med hjälp av en sådan yta.

Bengt ser stora möjligheter för nanovetenskapen men vill inte likna det vid en revolution. Nanovetenskap leder till en evolutionär process som utvecklar dagens teknik och möjligheter, inte till något som förändrar världen och vårt sätt att leva. I dag befinner sig nanoforskningen i en fas av preparation och karaktärisering. Tillämpningarna hägrar inom 15-20 år men har redan börjat dyka upp i form av lågfriktionsytor, självrengörande fönster etc. De etiska frågor som är viktiga i samband med förändringar måste forskare vara med och prata om. De är viktiga och naturliga och kan inte tigas ihjäl.

Ett nytt område kallas nanoenergi där nya möjligheter från nanovetenskapen ger nya lösningar på energiproblem. Idag är närmare 80 procent av människans energianvändning icke förnyelsebar energi. Källorna till dessa är borta inom 200 år. Samtidigt ökar energianvändningen i många länder.

Tre exempel på nanoenergi
Växterna binder upp energi från solljuset genom fotosyntesen. Detta sker i biomembranen och en forskningslinje är att efterlikna den processen i artificiell fotosyntes eller anpassa den naturliga till energikälla. Med dna-modifiering kan fotosyntesen i bakterier styras till att producera väte som sedan används som energikälla.
Det andra exemplet handlar om s.k. bränsleceller där kemisk energi omvandlas till elektrisk. Elektroderna i en bränslecell kan förbättras med kunskap om villkoren på nanonivå.
I det tredje exemplet används silverpartiklar för att fånga upp solens energi. Silverpartiklar i nanostorlek har olika färg beroende på partikelns storlek. Ett lämpligt urval av silverpartiklar med olika storlek har potential att bli en mycket effektiv uppfångare av solens ljus.

Sammanfattningen skriven av
Martin Testorf, Vetenskapsrådet.


Kontaktuppgifter och länkar till mer information

Medverkande presseminarium nanovetenskap 13 maj 2004, Göteborg.

Lars Börjesson
T f huvudsekreterare Vetenskapsrådet, professor, tillämpad fysik, Chalmers.
0707-535 307, lbo@vr.se

Anna Delin
Forskare, tillämpad materialfysik, Kungliga tekniska högskolan.
tel 08-790 9043, anna.delin@mse.kth.se
Webb: http://web.mse.kth.se/~delin/

Börje Johansson
Professor, kondenserade materiens teori, Uppsala universitet
018-471 3623, borje.johansson@fysik.uu.se
Webb: http://www.fysik4.fysik.uu.se/

Lars Samuelson
Professor, fasta tillståndets fysik, Lunds tekniska högskola
046-2227679, Lars.Samuelson@ftf.lth.se
Webb: http://www.ftf.lth.se/FTF/Person/SamuelsonL/

Bengt Kasemo
Professor, tillämpad fysik, Chalmers.
031-772 3370, kasemo@fy.chalmers.se
Webb: http://fy.chalmers.se/ap/chp/staff/kasemo.html


Mer information

Tidskriften Nature Materials, webbpublicering 2 maj. Artikelförfattare: Kimberly A Dick, Lars Samuelson mfl - "Synthesis of branched 'nanotrees' by controlled seeding of multiple branching events": www.nature.com/naturematerials

Seminariet är en del av projektet Teknisk Framsyn, och där ett av fokusområdena är just nanoforskning. En rapport från Teknisk Framsyn: "Material och materialflöden - utmaningar och möjligheter", kan laddas ned från www.tekniskframsyn.nu.


Kontaktpersoner

Martin Testorf, informatör naturvetenskap och teknikvetenskap, , 08-546 44 282, 0704-922334 E-post: Martin.Testorf@vr.se