I dette blogginnlegget skal vi ta en trinnvis titt på konseptet nanoteknologi, dets utvikling, nøkkelteknologier, anvendelser, fremtidsutsikter og begrensninger.
I sci-fi-filmen «Innerspace» fra 1987, regissert av Joe Dante, er det en scene der hovedpersonen utforsker innsiden av blodårer om bord på et lite luftskip. Konseptet med en mekanisk innretning som beveger seg gjennom blodårer var et svært innovativt sci-fi-plott på den tiden, men i dag er det ikke lenger en usannsynlig idé. Faktisk pågår det aktiv forskning for å bruke ultrasmå mekaniske innretninger i blodårer, og nanoteknologi fungerer som grunnlaget for denne teknologien. Det sies ofte at det 21. århundre er æraen for IT (informasjonsteknologi), BT (bioteknologi) og NT (nanoteknologi). Nanoteknologi har etablert seg som en kjerneteknologi på tvers av ulike industrisektorer og fortsetter å utvikle seg raskt. Til tross for dens betydning, forstår folk flest ikke nanoteknologi fullt ut. I denne artikkelen vil vi undersøke hva nanoteknologi er, utforske dens tekniske bakgrunn og utviklingsprosess, kategorisere nanoteknologi i underteknologier for å undersøke dens anvendelsesområder, og til slutt se på fremtiden til nanoteknologi og de potensielle problemene som kan oppstå underveis.
Nanoteknologi refererer til teknologien for å syntetisere, sette sammen og kontrollere materialer i den ekstremt lille skalaen av atomer eller molekyler, samt å måle og belyse deres egenskaper. Med «liten skala» referert her menes vanligvis området fra 1 til 100 nanometer (nm). Én nanometer er en milliarddel av en meter, og begrepet «nano» er avledet fra det greske ordet «nanos», som betyr «dverg». Med tanke på at et menneskehår er omtrent 80 000 til 100 000 nanometer tykt, er det lett å forstå hvor liten skala nanoteknologi opererer på.
Konseptet nanoteknologi ble først foreslått av den amerikanske fysikeren Richard Feynman. I et foredrag i 1959 med tittelen «Det er god plass i bunnen» holdt i American Physical Society, spådde han at en æra ville komme da det ville være mulig å fritt lage ekstremt små strukturer, selv i de små rommene på molekylært nivå. Som et eksempel forklarte han at hele Britannica Encyclopedia kunne registreres på en overflate på størrelse med en enkelt hårnål. Siden teknologinivået på den tiden ennå ikke var avansert nok til å gjøre dette til virkelighet, avfeide mange deltakere påstanden hans som urealistisk.
Skanningstunnelmikroskopet (STM), oppfunnet i 1981, var avgjørende for å transformere nanoteknologi – som tidligere hadde virket som science fiction – til et praktisk vitenskapelig og teknologisk felt. Et STM er en enhet som er i stand til å observere eller modifisere overflatestrukturen til halvledere eller ledende materialer på nanometerskala. Det analyserer overflatestrukturer ved å bringe en probe med en ekstremt skarp spiss nær overflaten av et objekt, og deretter påføre en spenning mellom proben og objektet for å måle den resulterende strømmen. Utviklingen av STM gikk utover å bare observere materialoverflater; det åpnet opp muligheten for å bevege og arrangere atomer og molekyler. I 1986, fem år etter oppfinnelsen av STM, ble atomkraftmikroskopet (AFM) utviklet.
I motsetning til STM er AFM en enhet der sonden har direkte kontakt med objektets overflate for å måle graden av bevegelse forårsaket av atomenes bølger. Akkurat som man ville bruke en finger til å føle overflaten til et objekt og bestemme formen, observerer AFM overflaten ved å analysere sondens bevegelse. Utviklingen av AFM gjorde det mulig å analysere til og med overflatene til isolerende materialer, som var vanskelige å observere med STM.
Både STM og AFM hadde imidlertid kritiske begrensninger. Det største problemet var at prosessen tok altfor lang tid. Å bruke disse enhetene, som bare kunne bevege ett atom eller molekyl om gangen, til å sette sammen materialer som var synlige for det blotte øye, var i praksis en oppgave som krevde enormt mye tid.
Personen som foreslo maskiner på molekylnivå som en løsning på dette problemet var den amerikanske vitenskapsmannen Eric Drexler. I boken sin fra 1986, «Engines of Creation», argumenterte han for at nanoteknologi burde tilnærmes gjennom de molekylære maskinene som finnes i naturen. I boken forklarte han at det endelige målet med nanoteknologi er å utvikle maskiner på molekylnivå – som ribosomer – som bruker molekyler som byggesteiner for å sette sammen ønskede makroskopiske strukturer. Et ribosom er et kompleks av RNA og proteiner som i levende organismer kombinerer aminosyrer for å produsere proteiner basert på genetisk informasjon. Med andre ord argumenterte Drexler for at vi trenger maskiner på molekylnivå – som, akkurat som ribosomer syntetiserer proteiner basert på genetisk informasjon fra DNA, ville sette sammen molekyler i henhold til en forhåndsprogrammert sekvens for å produsere ønskede materialer – og han kalte disse maskinene «assemblere». Imidlertid har en assembler av den formen han foreslo ennå ikke blitt realisert, noe som betyr at moderne vitenskap og teknologi ennå ikke har nådd det ultimate stadiet av nanoteknologi han så for seg. La oss da undersøke hvor langt dagens nanoteknologi har kommet.
Generelt kan nanoteknologi kategoriseres i fem underteknologier basert på teknisk vanskelighetsgrad. Disse inkluderer spesifikt teknologi for produksjon av nanomaterialer; måleteknologi for å vurdere de fysiske og kjemiske egenskapene til nanoskalapartikler; teknologi for å manipulere og integrere produserte nanomaterialer; anvendelsesteknologi for nanoenheter; og modellerings- og simuleringsteknologi.
Den første kategorien, nanomaterialefremstillingsteknologi, er videre delt inn i to tilnærminger. Den ene er ovenfra-og-ned-prosessen, som innebærer gradvis å redusere materialets størrelse. Denne metoden bearbeider eksisterende materialer ned til nanoskala, omtrent som å hugge ut en stor stein for å lage et spyd eller en øks. Selv om denne metoden har fordelen av å tillate relativt enkel fabrikasjon av ønskede former, har den begrensninger når det gjelder presisjonsbearbeiding ned til ekstremt små størrelser. Den andre er bottom-up-prosessteknologien, som bygger materialer ved å kombinere atomer og molekyler én etter én. Denne metoden bruker kjemiske reaksjoner for å sette sammen molekyler sekvensielt, noe som gir fordelen av å lage svært små strukturer. Den har imidlertid ulempen at det er vanskelig å opprettholde jevn kvalitet og har en lav produksjonshastighet, noe som er en ulempe for masseproduksjon.
Et godt eksempel på bottom-up-prosesseringsteknologi er karbonnanorør (CNT). Karbonnanorør er sylindriske karbonstrukturer basert på buckyballer (fullerener) – karbonmolekyler formet som fotballer – og er for tiden under omfattende forskning og bruk i ulike industrisektorer. Karbonnanorør er en av de mest representative karbonstrukturene, etter diamant og grafitt, og har en diameter på bare omtrent 1 nanometer. Takket være sin ekstremt lille størrelse og unike bindingsstruktur har de en strekkfasthet som er bedre enn stål, og de viser utmerket elektrisk og termisk ledningsevne. Avhengig av strukturen kan de dessuten vise halvlederegenskaper, noe som gjør dem til en lovende kandidat for neste generasjons halvledermaterialer. Utover dette brukes de innen ulike felt som flatskjermer, batterier, komposittmaterialer og biosensorer, og det pågår forskning.
Når nanomaterialer er produsert ved hjelp av ovenfra-og-ned- og nedenfra-opp-fabrikasjonsteknologiene som er omtalt ovenfor, er neste trinn å utvikle teknologier for å manipulere og integrere disse materialene. Det som imidlertid må utvikles først, er måleteknologi som er i stand til å måle egenskapene til de produserte nanomaterialene nøyaktig. Dette er fordi det uten tilstrekkelig avansert måleteknologi er umulig å forstå nøyaktig hvilke fenomener som oppstår på nanoskala. Det finnes imidlertid en stor hindring i utviklingen av nanoskala-måleteknologi: det faktum at kvanteeffekter oppstår når størrelsen på et materiale blir ekstremt liten. Når kvanteeffekter oppstår, blir det vanskelig å forklare fenomener ved kun å bruke fysikkens lover som gjelder på hverdagsskalaer, noe som gjør det utfordrende å måle materialenes egenskaper nøyaktig. Videre, når størrelsen minker, blir selve målesignalet veldig svakt og påvirkes sterkt av omgivelsesstøy, noe som nødvendiggjør svært følsomt måleutstyr. Av disse grunnene er nanometrologi fortsatt et område med aktiv forskning i dag.
Teknologier for manipulering og integrering av nanomaterialer er også områder som krever videreutvikling i fremtiden. For tiden er presisjonsmanipulerings- og integrasjonsteknologier mye brukt på mikrometerskala – som er mye større enn nanoskala. Et godt eksempel er halvlederindustrien. Den kontinuerlige forbedringen av halvlederytelse i dag er et resultat av fremskritt innen disse mikrofabrikasjonsteknologiene. Hvis enda mer presis manipulering og integrering på nanometernivå blir mulig i fremtiden, forventes ytelsen til ulike elektroniske enheter, inkludert halvledere, å forbedres betydelig sammenlignet med dagens nivåer. Sammen med dette forventes applikasjonsteknologier for nanoenheter, samt modellerings- og simuleringsteknologier, også å bli mer sofistikerte basert på fremskritt innen måle-, manipulerings- og integrasjonsteknologier.
Så, hvordan vil nanoteknologi se ut når disse tekniske utfordringene er løst? I boken sin fra 1991, «Unbounding the Future», identifiserte Eric Drexler datamaskiner, produksjon og medisin som felt med spesielt høyt potensial for fremtidig utvikling. Innen databehandling fremhevet han utviklingen av bioelektronikk som en sentral mulighet. Bioelektronikk er et konvergent felt som kombinerer bioteknologi og elektronikk, med utvikling av biodatamaskiner som et av sine primære forskningsmål. Selv om det ennå ikke er klart nøyaktig hvilken form biodatamaskiner vil ta, pågår det ulike studier for å overvinne begrensningene til eksisterende silisiumhalvledere ved å bruke biomolekyler som proteiner.
Biodatamaskiner er bare ett eksempel på fremtidige teknologier muliggjort av nanoteknologi. Etter hvert som nanoteknologien utvikler seg ytterligere, vil produksjonsteknikker som presist kontrollerer materialer på atomnivå sannsynligvis bli enda mer sofistikerte. Mens dagens produksjonsmetoder innebærer å behandle et stort antall atomer samtidig for å lage produkter, forventes evnen til å designe og sette sammen materialer med presisjon på atomnivå å muliggjøre produksjon av produkter som samsvarer bedre med den opprinnelige designintensjonen. Videre forventes det å bidra betydelig til å forbedre produktkvalitet og pålitelighet, samt til utvikling av materialer og produkter med nye egenskaper som tidligere var vanskelige å oppnå.
Det medisinske feltet forventes også å bli sterkt påvirket av nanoteknologi. Feltet som kombinerer nanoteknologi og medisin kalles nanomedisin. Siden sykdommer i menneskekroppen ofte oppstår på celle- og molekylært nivå, kan nanoteknologi spille en avgjørende rolle i å diagnostisere og behandle sykdommer med større presisjon. Faktisk er forskning og kliniske anvendelser som bruker nanoteknologi aktivt i gang på ulike felt, inkludert legemiddelleveringssystemer som selektivt leverer legemidler til bestemte steder, kreftbehandling, vevsregenerering og diagnostiske teknologier. Det forventes at utviklingen av enda mer sofistikert nanoteknologi i fremtiden vil forbedre effektiviteten og sikkerheten til sykdomsbehandling betydelig.
Basert på det vi har diskutert så langt, ser fremtiden lysere ut takket være fremskritt innen nanoteknologi. I likhet med andre banebrytende teknologier har imidlertid nanoteknologi også flere negative aspekter. Fordi nanopartikler er ekstremt små, kan de ha egenskaper som er forskjellige fra vanlige partikler når de introduseres i menneskekroppen. Faktisk er det rapportert forskningsfunn som indikerer at noen nanomaterialer kan komme inn i kroppen gjennom luftveiene eller huden og potensielt påvirke helsen. Siden risikonivået kan variere avhengig av type materiale og eksponeringsmetode, gjennomføres det kontinuerlig forskning og sikkerhetsvurderinger. Videre reises det stadig bekymringer angående potensialet for at nanoteknologi kan brukes til ondsinnede formål. For at nanoteknologi skal kunne brukes til fordel for menneskeheten, må derfor sikkerhetsverifisering og etiske og sosiale diskusjoner gå i takt med den teknologiske utviklingen.
Vi har så langt undersøkt nanoteknologi fra ulike perspektiver. For tiden anerkjenner ikke bare USA og andre utviklede nasjoner, men også land rundt om i verden, inkludert Sør-Korea, nanoteknologi som en nøkkelindustri for fremtiden og fortsetter å investere tungt i forskning og utvikling. Sør-Korea implementerer også kontinuerlig nasjonal politikk for å fremme nanoteknologi og styrker sin konkurranseevne i ulike industrisektorer, som halvledere, skjermer, oppladbare batterier, bioteknologi og avanserte materialer. Som sådan utvikler nanoteknologi seg raskt basert på jevn forskning og investeringer, og det forventes at den vil fortsette å spille en betydelig rolle innen naturvitenskapene og i hele industrisektoren. Videre, etter hvert som anvendelsesområdet utvides på tvers av ulike industrisektorer, vil den etablere seg som en kjerneteknologi som er enda tettere sammenvevd med våre daglige liv.
