Artikel: I nanotidsalderen er det først fremmest er vores forestillingsevne, der begrænser os

Forestil dig, at dine sko både havde nattelys, GPS og selv kunne finde ud af, om fødderne skulle have det koldere eller varmere. Det er ikke ren science fiction, men realistiske udfordringer at sætte sig i vores nanotidsalder, hvor kun vores fantasi sætter grænser for udviklingen af nye nanomaterialer.

Af Rie Jerichow og Marianne Bom, www.publicer.dk

Lige siden hulemændenes tid har vi mennesker ledt efter bedre materialer til huse, tøj, redskaber og alt muligt andet. Når vi opdager et nyt materiale, finder vi ud af, hvad det kan, og hvad vi kan bruge det til. I nanotidsalderen er det lidt den omvendte verden. Nu kan vi bygge materialer op fra bunden, atom for atom, og skabe vores egne materialer med præcis de egenskaber, vi skal bruge.“Det handler ikke længere om at tage, hvad man kan få og at bruge det, der nu er. Men om at have fantasi til at forestille sig, hvad der bliver brug for. Til at definere hvad materialerne skal kunne og så fremstille dem præcis, som man vil have dem,” fortæller professor Peter Bøggild fra Institut for Mikro- og Nanoteknologi på DTU.

Unge er bedst til at udnytte nye materialer
Her må gamle, erfarne rotter kende deres plads og vige for unge hjerner.

“Det er muligt, at viden og erfaring peaker blandt 50-årige forskere. Men det går for langsomt, hvis vi overlader det til de ’erfarne’ at få innovative idéer. Her har vi brug for unge, intelligente mennesker med fantasien i behold,” siger han.

Kun fantasien sætter grænser
Fantasi er en nødvendighed, når man arbejder med nanomaterialer, der har nærmest overnaturlige egenskaber – selvom det egentlig bare er fysik og kemi.

Når vi begynder at kunne styre opbygningen af materialer atom for atom, kan vi designe og fremstille nye materialer med helt andre elektriske, mekaniske eller magnetiske egenskaber. Det kan igen lede til mere ressourcebesparende og miljøvenlige produkter og produktionsformer.

Gennemsigtige og stærkere end stål
“Med de nye nanomaterialer kan vi få både i pose og i sæk. Vi kan både få noget, der er gennemsigtigt, bøjeligt, ekstremt godt ledende og samtidig ekstremt stærkt. Det udnytter man allerede for eksempel til at skabe et materiale - en slags film - som man kan klistre på vinduer. Filmen dæmper lyset en lille smule og fungerer samtidig som solceller og generer strøm. Man kan også udvikle materialer, der både er lette, stærke og billige. Det betyder, at man i fremtiden for eksempel ville kunne bygge fly af nanoforstærkede plastmaterialer eller tilsvarende bropiller, der kan klare et meget større spænd. Om 15 år er computere måske ikke noget, der står på bordet som en stor klods, men fordelt overalt i de ting, der omgiver os – og måske også i vores krop,” fortæller Peter Bøggild.

Grafen – materialet til fremtiden
Et godt eksempel på et nyt nanomateriale er grafen

“Det er et to-dimensionalt kulstofmateriale, som udelukkende består af kulstofatomer i et kun et atom tyndt lag. Det er på én og samme gang verdens tyndeste materiale, det er næsten gennemsigtigt, og alligevel uigennemtrængeligt for gasser og vand. Så er det ovenikøbet 100 gange stærkere end stål og bedre til at lede strøm end kobber. Hver eneste egenskab er fantastisk i sig selv – og samlet set har stoffet et ufatteligt godt ’karakterblad’ med 12 i snit. Det er et ægte supermateriale, som det kræver en hel del fantasi at udnytte optimalt,” siger Peter Bøggild.

Hjælper grøn omstilling på vej
Grafen kan også vise sig at være svaret på andre af tidens store udfordringer.

“Vi er allerede godt i gang inden for batteriteknologien. Benzin har været svært at erstatte, fordi det er megapraktisk, at det indeholder så meget energi, der kan gemmes i årevis og hives frem, når man skal bruge det. Hvis vi ved hjælp af grafen kan udvikle en teknologi, der kan lagre strøm i batterier i en udstrækning, der nærmer sig benzinen, vil vi med et trylleslag kunne gøre grøn energi langt mere relevant. Både i forhold til klimaet og økonomien,” siger Peter Bøggild.

Grafen er ufarligt
Grafen kan meget simpelt laves ved at blende grafit i en køkkenblender, selvom man skal bruge nogle lidt større maskiner i industrien. Det er et naturmateriale, som er biokompatibelt og ugiftigt for celler.

“Derfor udnytter man allerede grafen til at overfladebehandle implantater i kroppen, fordi risikoen for infektioner i kroppen bliver minimeret. Men det vildeste er, at grafen – hvor unikt det end synes at være – blot er ét ud af flere tusinde andre to-dimensionale materialer. Hver af disse materialer kan noget de andre ikke kan, og kan kombineres helt frit – simpelthen ved at lægge dem ovenpå hinanden ligesom LEGO klodser. Med de næsten uendelig mange materialekombinationer er vi i en situation, hvor det først og fremmest er vores forestillingsevne, der begrænser os,” siger Peter Bøggild

Udfordrende at arbejde med
Der er dog masser af udfordringer, når man arbejder med nanomaterialer. Det er for eksempel ikke svært at forestille sig, at det kan være noget af en opgave at folde eller rulle to-dimensional grafen-film ud, der er 40.000 gange tyndere end husholdningsfilm. ”Vi kan godt finde ud af at producere det, men det er straks sværere at finde ud af, hvordan vi arbejder med det, uden det krøller eller bliver beskidt. Det er nogle meget lavpraktiske udfordringer, men det er nødvendigt, at vi lærer at håndtere materialet. På en måde er vi ligesom hulemænd, der skal lære om en helt ny slags materiale fra bunden,” fortæller Peter Bøggild. 

Se Peter Bøggild fortælle om grafens muligheder her:

Her bruger man nanomaterialer i industrien

  • Mobilindistrien bruger f.eks. grafen til fleksible og mere følsomme touchskærme og til batterier med større kapacitet og hurtigere opladningstid. På DTU har forskere lavet et 10 cm stort OLED lyspanel ved hjælp af grafen.
  • Farve- og lakindustrien bruger f.eks. silica til at give lak en bedre hårdhed eller til at give maling bedre farveegenskaber. På KU og DTU eksperimenteres der med at lave grafen-lak, der kan modstå rust og samtidigt er elektrisk ledende.
  • Plastindustrien bruger f.eks. flager af kemisk modificeret nano-ler til at fremstille plastic, som både er let og stærkt, mens andre nanopartikler anvendes som farver. Airbus i Frankrig arbejder på at lave grafen-forstærket plastic, der kan erstatte aluminium i fly.
  • Den kemiske industri bruger f.eks. nanopartikler af platin og ceriumdioxid som katalysatorer i kemiske processer. DTU har udviklet to-dimensionelle nanopartikler, der kan nedbryde farlige udstødningsgasser og lave brint.
  • Kosmetikbranchen bruger f.eks. titaniumdioxid i solcreme, hvor partiklerne virker som UV solfilter eller carbon black til for eksempel mascara.
  • Fødevareindustrien bruger f.eks. silica til at forbedre flyde-evnen i ketchup eller zinkdioxid-nanopartikler som antibakterielt stof. 
  • Bygge- og anlægsindustrien bruger f.eks. silica i byggematerialer til at ændre betons nanostruktur eller til at gøre beton mere rengøringsvenlig.

Kilder: Seniorforsker Keld Alstrup Jensen fra Dansk Center for Nanosikkerhed, Det Nationale

Forskningscenter for Arbejdsmiljø og professor Peter Bøggild fra Institut for Mikro- og Nanoteknologi på DTU

 

Rundt om grafen: Verdens tyndeste materiale

Grafen består udelukkende af kulstofatomer, der sidder sammen i et netværk af sekskanter, akkurat som hønsenet eller bikuber. Bindingerne er meget stærke, og grafen er derfor også det stærkeste og mest stabile materiale, der findes. Hvis man varmer metan – som består af kulstof og brint – op til 1.000 grader celsius, bliver kulstofatomerne sluppet løs. Så finder de af sig selv sammen på sekunder i et perfekt grafen-gitter, der kun er 1 atom tyndt. Hver sekskant er kun en fjerdedel af en nanometer bred. Grafit, som er sort, skinnende og blødt, består af lag-på-lag af grafen ovenpå hinanden – og hvis man folder alt det grafen ud der i blot 1 kg grafit, vil det dække 14 kvadratkilometer.

Store globale grafitressourcer
Hvert år bliver der gravet 1,2 mio ton grafit op af miner – fortrinsvis i Kina, Indien og Brasilien. Det bruges blandt andet til smøremidler, bremseklodser til biler, bildæk, stål og meget andet. Ifølge Videncenter for Mineralske Råstoffer og Materialer er der opmålte grafitreserver til 60 års forbrug og estimerede reserver til 650 års forbrug.

Billigt naturmateriale
Man skulle tro af et supermateriale som grafen var meget dyrt. Men fordi det kan laves af grafit, er det lige omvendt. Når man pulveriserer grafit til nanopartikler, får man grafen. På mange områder har grafen sammen egenskaber som kulstofnanorør, men i modsætning til grafen er kulstofnanorør et syntetiske produkt, der skal fremstilles og derfor dyrere. Foruden af udvinde grafen af grafit, der skal graves op af jorden, kan man også meget nemt lave grafen af en hvilken som helst kulstofholdig gas eller genstand, for eksempel bananskræller, metangas eller ligefrem hundelort.

Exceptionelle egenskaber
De ’normale’ materialer, vi kender, kan ikke rigtigt tåle at blive for tynde. Ligesom brød, der skæres i for tynde skiver, falder både plastik, metal, glas og træ fra hinanden, hvis tykkelsen nærmer sig nanometerstørrelse. Med grafen er det lige omvendt. Det bliver stærkere og bedre til at lede strøm jo færre lag, der er, og det er i topform, når det kun er i 1 lag og dermed 1 atom tyndt.

Grafen…

- har den højeste elektriske ledningsevne – mere end kobber. Det kan udnyttes til meget små ledninger, der kan lede kæmpestore strømme af elektricitet.

- har den højeste varmeledningsevne – mere end sølv og diamant, Det kan udnyttes til at lave ultratynde computer chips, der ikke overopheder.

- har den højeste temperaturstabilitet – mere end wolfram. Det bliver allerede udnyttet til kemiske processer, som forløber ved ekstremt høje temperaturer.

- har den største styrke – 100 gange stærkere end hærdet stål. Det kan udnyttes til at lave brud- og skudsikre materialer.

- har den højeste stivhed - mere end diamant. 

- er det mest bøjelige – kan bukkes og foldes, til en kant, der er kun 1 nanometer bred. Det kan måske udnyttes til at lave knive, som kan skære i nanostrukturer.

- det mest lufttætte materiale. Selv ikke helium og brintatomer – de mindste der findes – kan snige sig igennem hønsenet-gitteret. Det kan udnyttes til ultratynde brintballoner, som kan nå næsten ud i rummet. Og som overfladebehandling af fx byggematerialer.

Kilde: Professor Peter Bøggild fra Institut for Mikro- og Nanoteknologi på DTU. og www.videnskab.dk


http://www.nanotechacademy.dk/Nanomaterialer/Artikel
24 MARTS 2019