Pludselig kunne vi se i nanostørrelse

”Nano” har altså altid været en del af vores hverdag. Grunden til, at teknologien ofte bliver præsenteret som noget helt nyt og menneskeskabt, er, at det først er inden for de sidste 30 år, at vi mennesker for alvor er blevet i stand til at se på nanoskalaen og dermed også bygge og manipulere med materialer i nanostørrelse.

Startskuddet kom med udviklingen af Skanning Tunnel Mikroskopet (STM), der blev opfundet i 1981. Mikroskopet virker ved at, der løber en strøm mellem to elektrisk ledende materialer, når disse er få nanometer fra hinanden. Det er meget overraskende, da strøm, der som bekendt består af elektroner, normalt kun løber mellem materialer, der er i fysisk kontakt med hinanden. Strøm, der løber mellem to materialer uden fysisk kontakt, er næsten lige så uventet som at sparke en fodbold gennem en mur. Forklaringen på det usædvanlige fænomen, der kaldes for tunneleringsstrøm, er, at der på nanoskalaen gælder andre love end den klassiske fysik. Nanoverdenen styres efter kvantemekanikkens regler, der blandt andet tillader elektroner at ”gå gennem mure”. Takket være STM kan forskerne i dag lave billeder af materialers overflader, der er så detaljerede, at de kan se de enkelte atomer.

Biologiske materialer i nanostørrelse
I 1986 blev et andet vigtigt nanoteknologisk værktøj opfundet, Atomic Force Mikroskopet (AFM), der er en videreudvikling af STM. Princippet i AFM går ud på at måle på de kræfter, der er mellem to materialer i nanometers afstand fra hinanden. I modsætning til elektrisk strøm, der kun løber mellem elektrisk ledende materialer, så påvirker alle – både elektrisk ledende og ikke-ledende – materialer hinanden på atomar skala. Det betyder, at man med AFM kan lave billeder af biologiske materialer, eksempelvis DNA og bakterier, ved at måle på atomare kræfter.

Materialer i nanostørrelse ændrer opførsel
Et godt eksempel på et nanomateriale med nye egenskaber, på grund af størrelsen, er guldnanopartikler. Guld er normalt et ædelmetal, der ikke reagerer med andre stoffer. For eksempel oxiderer guld i modsætning til sølv ikke. Det er derfor, man aldrig behøver at pudse sine guldsmykker. Men til forskernes store overraskelse, har det vist sig, at 2-3 nm små guldpartikler faktisk er meget reaktive og kan få kemiske reaktioner til at ske hurtigere end normalt. Det er ikke blot gulds reaktivitet, der ændrer sig, også farven forandres, når guld er i nanostørrelse (figur 2). Mens en guldring er gul, så er guldnanopartikler røde eller blå alt efter deres nanostørrelse.

Figur 2:
Guldpartikler i forskellig størrelse har også forskellig farve.
Guldpartikler i forskellig størrelse har også forskellig farve.

Der er mange andre eksempler på materialer, der får nye egenskaber, når de er i nanostørrelse. Titaniumdioxidpulver (TiO2) er hvidt og bruges som pigment i hvid maling. Nanopartikler af TiO2 er derimod gennemsigtige for synligt lys og bruges til at blokere UV-stråling i mange solcremer.  I ”gamle” dage brugte man TiO2 mikropartikler,  og solcremen var hvid og svær at absorberer for huden, det er derfor, det var normal at se folk gå rundt med hvide næser på varme sommerdage Aluminiumsdåser er svære at sætte ild til, mens nanopartikler af aluminium derimod er så eksplosive, at de bruges som tændingsmateriale i raketbrændstoffer.

Der er flere årsager til, at materialer opfører sig anderledes på nanoskalaen. I nogle tilfælde skyldes det, at der i nanoverdenen er andre love, der er vigtigere, end dem vi kender fra den klassiske fysik. I andre tilfælde skyldes det, at nanopartikler af eksempelvis TiO2 er mindre end lysets bølgelængde og derfor bliver usynlige for øjet, eller at nanomaterialerne har et større overflade/volumen-forhold som med guldnanopartiklerne.

Denne tekst er et redigeret uddrag af bogen Nanoteknologiens Horisonter http://www.fysik.dtu.dk/Uddannelse/Nanoteket/Nanoteknologiske-Horisonter

http://www.nanotechacademy.dk/introduktion/nanostorrelse
24 MARTS 2019