Smugsjá Viðar Guðmundsson, prófessor í eðlisfræði við Háskóla Íslands, við svokallaða smugsjá. Með oddi smugsjárinnar er hægt að raða saman atómum á yfirborði efnis.
Smugsjá Viðar Guðmundsson, prófessor í eðlisfræði við Háskóla Íslands, við svokallaða smugsjá. Með oddi smugsjárinnar er hægt að raða saman atómum á yfirborði efnis.
[ Smellið til að sjá stærri mynd ]
Eftir Ragnhildi Sverrisdóttur rsv@mbl.is Nanótækni hefur verið höfundum vísindaskáldsagna ríkuleg uppspretta. Útsendarar hins illa senda örsmáan nanóbúnað sinn, eða nanóróbóta, inn í herbergi til njósna – og inn í mannslíkamann ef því er að...

Eftir Ragnhildi Sverrisdóttur

rsv@mbl.is

Nanótækni hefur verið höfundum vísindaskáldsagna ríkuleg uppspretta. Útsendarar hins illa senda örsmáan nanóbúnað sinn, eða nanóróbóta, inn í herbergi til njósna – og inn í mannslíkamann ef því er að skipta. Sú hætta vofir hins vegar stundum yfir í þessum skáldsögum að nanótæknin fari úr böndunum, mennirnir missi tökin á tækninni og heimurinn allur breytist í einhvern gráan massa. Raunar hljómar þessi grámassakenning ekki ósvipað þeim hugmyndum sem voru uppi þegar menn voru fyrst að fást við atómsprengjur; þá héldu sumir vísindamenn því fram að sú staða gæti komið upp að kjarnaklofningurinn héldi áfram í hið óendanlega og eyddi allri jörðinni.

Vísindaskáldskapurinn um nanótækni er oft fjarri raunveruleikanum. Þannig hrista vísindamenn núna höfuðið yfir kenningunni um heiminn allan sem gráan massa. Og benda á að einu sinni hafi menn óttast það í fúlustu alvöru að tölvur fengju sjálfstæðan vilja og tækju völdin af mönnunum.

Og þótt það hljómi ágætlega að senda nanótæki inn í mannslíkamann til viðgerða og hreinsana á æðum þá væru slík tæki einfaldlega of smá til að hagkvæmt væri að nota þau til slíks. Nanótæki í æð væri álíka lipurt og maður að synda í hafsjó af sírópi. Kafbátur í æðakerfinu hljómar því ekki sennilega. Sú tækni, sem þegar hefur verið fundin upp og er í stöðugri þróun, að nota alls konar míkrótæki til viðgerða á mannslíkamanum, er alveg nógu fyrirferðarlítil.

Einn milljarðasti úr metra

En hvað er nanótækni? Þegar talað er um nanótækni er yfirleitt átt við manngerða hluti, "þar sem einhver mikilvægur hluti umrædds tæknilegs fyrirbæris hefur að minnsta kosti tvo af eftirfarandi þremur eiginleikum: lengd, breidd eða hæð á stærðarbilinu 1–100 nanómetrar," eins og segir á Vísindavef Háskóla Íslands.

"Forskeytið nanó- vísar til hluta sem eru nokkrir nanómetrar að stærð, en einn nanómetri er einn milljarðasti úr metra," segir Viðar Guðmundsson, prófessor í eðlisfræði við Háskóla Íslands.

Einn milljarðasti úr metra er hugtak sem erfitt er að miða við nokkuð í daglegu lífi. Í grein um nanótækni í tímaritinu Scanorama í byrjun þessa árs var þó gerð tilraun til að varpa ljósi á smæðina með því að benda á að ein komma, eins og sú sem hér fór á undan og sú sem á eftir kemur, er um hálf milljón nanómetra. Og líklega eru lesendur litlu nær en vita þó að nanó er agnarsmátt.

"Nanóvísindi og nanótækni fást við að kanna eiginleika örsmárra kerfa sem eru oft sett saman atóm fyrir atóm á yfirborði efnis með oddi svokallaðrar smugsjár," segir Viðar Guðmundsson. Hann er sannfærður um að heillandi tímar séu framundan í nanótækni en viðurkennir um leið að erfitt sé að spá fyrir um nákvæmlega hvernig þróunin verði. "Þegar tölvutæknin var að ryðja sér til rúms sá ekki nokkur maður það fyrir að tölvur yrðu á hverju skrifborði. Ég held að möguleikar nanótækni séu ótal margir."

Höfundur fyrrnefndrar greinar í Scanorama , Jennifer Kahn, hefur eftir vísindamanni við Berkeley-háskóla að nanótækni eigi eftir að hafa samskonar byltingu í för með sér og uppfinning plastsins. Sá vísindamaður virðist því skoðanabróðir Viðars.

Margvísleg hagnýt not

Vísindamönnum hefur greinilega tekist að sannfæra stjórnmálamenn um nauðsyn þess að rannsaka möguleika nanótækni, a.m.k. í Bandaríkjunum. Þar í landi rann tvöfalt meira fé til slíkra rannsókna árið 2005 en til að kortleggja erfðamengi mannsins þegar sú vinna var í algleymingi og naut síðarnefnda verkefnið þó mikillar velvildar.

Þótt margir séu draumórarnir sem tengjast nanótækni, þá eru hagnýt not þegar komin í ljós. Þar má nefna, að hægt er að framleiða svokölluð kolrör sem nýtast í rafrásir og smára. Kolrörin eru ekki nema 1,3 nanómetrar í þvermál. Þau eru 50–100 sinnum sterkari en stál en aðeins 1/6 af þyngd þess og þau leiða þúsund sinnum meira rafmagn en koparvír.

Nanótæknin hefur þróast upp úr þverfaglegum grunnrannsóknum í eðlisfræði, efnafræði og líffræði. Vísindamenn hafa þróað aðferðir til að meðhöndla einstök atóm og sameindir og raða þeim saman í ný manngerð kerfi með fyrirfram ákveðna eiginleika.

Enn er sú tækni, að raða saman atómum, afar frumstæð. Einhver vísindamaður lýsti henni svo að engu líkara væri en menn væru að reyna að byggja úr Lego-kubbum með boxhanska á höndunum. Vissulega væri hægt að hrúga kubbunum saman en öllu erfiðara reyndist að smella þeim saman í æskilegt form. Í framtíðinni muni nanótæknin hins vegar gera mönnum kleift að raða frumeindum auðveldlega saman á hvern þann máta sem eðlisfræðin framast leyfði.

Þegar snurða hleypur á þráðinn

Hlutir á nanóskala eru þegar þekktir í tækni nútímans. Viðar nefnir sem dæmi örgjörva í tölvum. "Örgjörvarnir hafa smækkað ört. Inni í hverjum þeirra eru nú um 100 milljón smárar, sem stýra rafmerkjum um örgjörvann. Í nýjustu örgjörvunum eru smárarnir á bilinu 90–60 nanómetrar. Byltingin felst í að geta búið til hluta í örgjörvana í fjöldaframleiðslu á þessum örsmáa skala."

Eitt vandamálið, sem menn standa frammi fyrir, er feikileg hitamyndun í örgjörvunum. "Hitamyndunin eykst eftir því sem hlutirnir verða minni og lítið má út af bera til að leiðnin breytist. Þegar við stingum tölvu í samband skiptir engu máli þótt hnútur sé á rafmagnssnúrunni. En ef einhver snurða er á leiðslu á þessum örsmáa nanóskala, þá gjörbreytist leiðnin. Viðfangsefni vísindamanna er að greina hvernig nýta megi nanótæknina, jafnvel þótt leiðnin breytist. Hér hjá Háskóla Íslands vinnur rannsóknarhópur Snorra Þ. Ingvarssonar dósents að því að rannsaka þessa hitamyndun og hún er viðfangsefni vísindamanna um allan heim."

Viðar segir að nanótækni í örgjörvum sýni aðeins brot af þeim möguleikum sem felist í tækninni. "Þarna byrjaði hins vegar þessi smækkun, í örgjörvunum. Smám saman urðu smárarnir minni og að lokum varð örgjörvinn aðeins lítil flaga. Núna velta menn fyrir sér hvort hægt sé að láta þessar örsmáu einingar vaxa, í stað þess að minnka þær niður. Við höfum núna búnað, smugsjána, sem getur skoðað eitt atóm í einu og gerir jafnvel kleift að raða atómum saman. Rannsóknahópur Sveins Ólafssonar vísindamanns við Raunvísindastofnun hefur þróað og byggt nokkrar smugsjár. Sú tækni býður upp á möguleikann að byggja örsmáar einingar upp frá grunni, í stað þess að taka stærri einingar og reyna sífellt að smækka þær. Við vitum hins vegar ekki fyrir víst hver þróunin verður. Getum við gert þetta? Náttúran gerir þetta í lífverum og við reynum að endurgera það. Þess vegna eru mörkin milli líffræði, eðlisfræði og efnafræði lítil í nanótækninni."

Rafboð fara eftir örgjörvum, en vísindamenn velta nú fyrir sér hvort hægt sé að nota ljósboð. "Núna eru menn að finna aðferðir til að leiða ljós eftir þessum örsmáu rásum, en það hefur gengið illa hingað til," segir Viðar. "Við Raunvísindastofnun eru rannsóknir á því á vegum Kristjáns Leóssonar vísindamanns."

Töfraefnið grafín

Þrátt fyrir að tæknin veiti fyrirheit um kolrör, sem leiða rafmagn betur en dæmi eru um núna og spara þar með mikla orku, þá hefur enn ekki tekist að framleiða nema stutta búta af slíkum leiðslum. "Einstök kolrör, eða knippi af þeim, hafa verið búin til og sum þeirra leiða rafmagn mjög vel. Ég held að bylting sé fyrirsjáanleg í nýtingu á kolrörum," segir Viðar. "Fyrir utan rafleiðnina, þá er þetta sterkasta efni sem þekkist, svo möguleikarnir til nýtingar þess eru margir. Það er nóg til af kolefni en enn á eftir að leysa ýmis atriði við framleiðslu kolröra. Nýjast á þessu sviði er grafín, sem verður áreiðanlega eitt af töfraefnum framtíðarinnar. Grafín er eitt atómlag af kolefni, minna en nanómetri á þykkt. Menn hafa núna búið til fyrsta smárann úr grafíni og halda að það geti komið í stað kísils í örgjörva. Grafín er stöðugt við herbergishita og smári úr efninu er svo lítill, að hægt er að stýra einni rafeind í gegnum hann."

Viðar segir að nú sé mjög rætt um endurnýjanlega orku. "Framleiðsla á sólarrafhlöðum kostar mikla orku, svo mikla að sumir efast um hagkvæmni þeirra. Nanótækni gæti hins vegar nýtt orku þeirra miklu betur, þ.e. breytt sólarljósinu í rafstraum á miklu hagkvæmari hátt. Bylgjulengd sólarljóss er að vísu miklu stærri en rásir á nanóskala, en með því að breyta sólarljósinu í plasmabylgjur gætum við beint þeim inn í þessar litlu rásir og þannig hagnýtt sólarljósið. Ég veit að nú er víða lögð mikil áhersla á rannsóknir á þessu sviði."

Öllu nær okkur í tíma eru framúrstefnulegir tölvuskjáir, sem gætu verið eins og plastþynna. "Þeir byggja á fjölliðum, sem alltaf eru í plasti, en hafa ákveðna rafeiginleika. Það er mjög stutt í að slíkir skjáir komi á markað."

Viðar segir líka að venjulegar ljósaperur muni eiga í vök að verjast í framtíðinni. "Nú hafa menn náð tökum á að rækta kristalla. Ljósdíóður eyða aðeins broti af því sem ljósaperur eyða og hitna ekki, svo brunahættan er engin. Ef heimurinn skipti út venjulegum ljósaperum fyrir ljósdíóður yrði orkusparnaðurinn gríðarlegur. Nú þegar eru díóður komnar í bílljós og götulýsingu, svo dæmi sé tekið og í Asíu hef ég séð svona díóðuljós, sem eru eins og venjulegar ljósaperur og skrúfaðar í perustæði. Lengi vel þekktust ekki kristallar til að búa til bláan lit, en núna, þegar hægt er að búa til blátt, grænt og rautt, þá er hægt að framleiða perur sem gefa frá sér hvítt ljós."

Viðar bendir á annað, sem snertir daglegt líf margra, en það eru flatir sjónvarpsskjáir. "Plasmaskjáir geta verið orkufrekir og ég held að þeir muni tapa í baráttunni við LCD-skjái, eða vökvakristalla. Ég spái því hins vegar að í framtíðinni muni díóðutæki varpa mynd á vegg og þá verður engin hitamyndun, með tilheyrandi orkutapi."

Miklar breytingar og víða

Viðar segir að nanótæknin muni smám saman ryðja sér til rúms og á hinum fjölbreytilegustu sviðum. "Við eigum ekki von á byltingu á einni nóttu," segir hann. "Orkugeirinn á örugglega eftir að nýta sér margt úr nanótækni en ég get líka nefnt t.d. möguleika í lyfjagjöf. Tengsl erfðafræði og líffræði innan nanóvísinda gera mönnum kleift að framleiða sértækari lyf en nú þekkjast. Þar erum við hins vegar kannski komin á það svið að réttara væri að tala um framfarir í erfðavísindum en nanó-tækni, þótt upplýsingarnar séu skrifaðar á nanóskala. Reyndar eru menn farnir að nota forskeytið "nanó" afar frjálslega og stundum á það ekkert skylt við eiginleg nanó-vísindi. Í öðrum tilvikum er vissulega um nanótækni að ræða, þótt það heiti sé aldrei nefnt. Ég get til dæmis nefnt að sérstaklega styrkt málning er aldrei kölluð nanómálning, þótt nanókristöllum sé bætt út í hana."

Hindranirnar eru enn fjölmargar. "Áður en einkatölvurnar komu til sögunnar voru margar tæknilegar hindranir í veginum," segir Viðar. "Menn áttu ekki auðvelt með að ímynda sér að nokkrum árum síðar yrðu fjöldaframleiddar smáar ferðatölvur, eða jafnvel lófatölvur. Fyrsti smárinn, sem var framleiddur árið 1947, var hnefastór. Núna eru 100 milljón smárar á einum örgjörva, sem er þó ekki nema lítil flaga. Enginn hefði getað séð þá þróun fyrir árið 1947."

Viðar Guðmundsson er sannfærður um að enn séu viðfangsefni eðlisfræðinnar fjölmörg og mjög spennandi. "Eðlisfræðin er rétt að byrja og áherslusviðin eru alltaf að breytast. Það er kolrangt að við séum að komast að einhverjum endimörkum."

Í hnotskurn
» Nanótækni er nú þegar beitt og vísindamenn spá því að nanótækni geti breytt því hvernig við lifum lífinu.
» Notkun nanótækni til að vinna eldsneyti úr hráolíu hófst á sjöunda áratugnum og hefur aukið nýtingu um 40%.
» Kolrör byggjast á nanótækni og eru mun sterkari en stál og létt og sveigjanleg. Bandaríska geimvísindastofnunin hefur áhuga á að nota þau til smíði léttari og sterkari geimfara.
» Kolrör eru þegar notuð í flugvélar, reiðhjól, íshokkíkylfur og fleira.
» Nanótækni lofar góðu í læknavísindum og sjá rannsakendur fyrir sér að hún geti nýst gegn krabbameini. Þá myndi meðferð beinast eingöngu að krabbameinsfrumum, en heilbrigðar frumur yrðu látnar óáreittar.