I det här blogginlägget ska vi steg för steg titta på konceptet nanoteknik, dess utveckling, nyckelteknologier, tillämpningar, framtidsutsikter och begränsningar.
I science fiction-filmen "Innerspace" från 1987, regisserad av Joe Dante, finns det en scen där huvudpersonen utforskar insidan av blodkärl ombord på ett pyttelitet luftskepp. Konceptet med en mekanisk anordning som färdas genom blodkärl var en mycket innovativ science fiction-handling på den tiden, men idag är det inte längre en långsökt idé. Faktum är att aktiv forskning pågår för att använda ultrasmå mekaniska anordningar i blodkärl, och nanoteknik fungerar som grunden för denna teknik. Det sägs ofta att 21-talet är eran för IT (informationsteknik), BT (bioteknik) och NT (nanoteknik). Nanoteknik har etablerat sig som en kärnteknik inom olika industrisektorer och fortsätter att utvecklas snabbt. Men trots dess betydelse förstår de flesta inte nanotekniken helt. I den här artikeln kommer vi att undersöka vad nanoteknik är, utforska dess tekniska bakgrund och utvecklingsprocess, kategorisera nanoteknik i undertekniker för att undersöka dess tillämpningsområden och slutligen titta på nanoteknikens framtid och de potentiella problem som kan uppstå längs vägen.
Nanoteknik avser tekniken för att syntetisera, sammansätta och kontrollera material i extremt liten skala av atomer eller molekyler, samt att mäta och belysa deras egenskaper. Med "liten skala" avses här i allmänhet intervallet 1 till 100 nanometer (nm). En nanometer är en miljarddels meter, och termen "nano" härstammar från det grekiska ordet "nanos", som betyder "dvärg". Med tanke på att ett mänskligt hårstrå är cirka 80 000 till 100 000 nanometer tjockt, är det lätt att förstå hur liten skala nanoteknik fungerar på.
Konceptet nanoteknologi föreslogs först av den amerikanske fysikern Richard Feynman. I en föreläsning 1959 med titeln "There’s Plenty of Space at the Bottom" som hölls vid American Physical Society förutspådde han att en era skulle komma då det skulle vara möjligt att fritt skapa extremt små strukturer även inom de små utrymmena på molekylär nivå. Som ett exempel förklarade han att hela Britannica Encyclopedia kunde dokumenteras på en yta av en enda hårnålsstorlek. Eftersom den tekniska nivån vid den tiden ännu inte var tillräckligt avancerad för att göra detta till verklighet, avfärdade många deltagare hans påstående som orealistiskt.
Sveptunnelmikroskopet (STM), som uppfanns 1981, var avgörande för att omvandla nanoteknik – som tidigare verkade som science fiction – till ett praktiskt vetenskapligt och tekniskt område. Ett STM är en anordning som kan observera eller modifiera ytstrukturen hos halvledare eller ledande material på nanometerskala. Det analyserar ytstrukturer genom att föra en sond med en extremt vass spets nära ytan på ett objekt och sedan applicera en spänning mellan sonden och objektet för att mäta den resulterande strömmen. Utvecklingen av STM gick utöver att bara observera materialytor; det öppnade upp möjligheten att flytta och arrangera atomer och molekyler. År 1986, fem år efter uppfinningen av STM, utvecklades atomkraftsmikroskopet (AFM).
Till skillnad från STM är AFM en anordning där sonden har direkt kontakt med objektets yta för att mäta graden av rörelse orsakad av atomernas vågformationer. Precis som man skulle använda ett finger för att känna på ytan av ett objekt och bestämma dess form, observerar AFM ytan genom att analysera sondens rörelse. Utvecklingen av AFM gjorde det möjligt att analysera även ytorna på isoleringsmaterial, vilka var svåra att observera med STM.
Både STM och AFM hade dock kritiska begränsningar. Det största problemet var att processen tog alldeles för lång tid. Att använda dessa anordningar, som bara kunde flytta en atom eller molekyl åt gången, för att montera material synliga för blotta ögat var i praktiken en uppgift som krävde enormt mycket tid.
Den person som föreslog maskiner på molekylnivå som en lösning på detta problem var den amerikanske forskaren Eric Drexler. I sin bok "Engines of Creation" från 1986 argumenterade han för att nanoteknik borde närmas genom de molekylära maskiner som finns i naturen. I boken förklarade han att det yttersta målet med nanoteknik är att utveckla maskiner på molekylnivå – såsom ribosomer – som använder molekyler som byggstenar för att sätta ihop önskade makroskopiska strukturer. En ribosom är ett komplex av RNA och proteiner som i levande organismer kombinerar aminosyror för att producera proteiner baserade på genetisk information. Med andra ord menade Drexler att vi behöver maskiner på molekylnivå – som, precis som ribosomer syntetiserar proteiner baserade på genetisk information från DNA, skulle sätta ihop molekyler enligt en förprogrammerad sekvens för att producera önskade material – och han kallade dessa maskiner för "assemblerare". Emellertid har en assembler av den form han föreslog ännu inte förverkligats, vilket innebär att modern vetenskap och teknik ännu inte har nått det slutgiltiga stadium av nanoteknik som han föreställde sig. Låt oss då undersöka hur långt den nuvarande nanotekniken har utvecklats.
Generellt sett kan nanoteknik delas in i fem deltekniker baserat på teknisk svårighetsgrad. Mer specifikt inkluderar dessa teknik för tillverkning av nanomaterial; mätteknik för att bedöma de fysikaliska och kemiska egenskaperna hos nanoskaliga partiklar; teknik för att manipulera och integrera tillverkade nanomaterial; tillämpningsteknik för nanokomponenter; och modellerings- och simuleringsteknik.
Den första kategorin, nanomaterialtillverkningsteknik, är vidare indelad i två metoder. Den ena är top-down-processen, som innebär att materialets storlek gradvis minskas. Denna metod bearbetar befintliga material ner till nanoskala, ungefär som att hugga en stor sten för att göra ett spjut eller en yxa. Även om denna metod har fördelen att den möjliggör relativt enkel tillverkning av önskade former, har den begränsningar när det gäller precisionsbearbetning ner till extremt små storlekar. Den andra är bottom-up-processtekniken, som bygger material genom att kombinera atomer och molekyler en efter en. Denna metod använder kemiska reaktioner för att montera molekyler sekventiellt, vilket ger fördelen att skapa mycket små strukturer; den har dock nackdelen att det är svårt att upprätthålla en jämn kvalitet och har en långsam produktionshastighet, vilket är en nackdel för massproduktion.
Ett utmärkt exempel på bottom-up-processningsteknik är kolnanorör (CNT). Kolnanorör är cylindriska kolstrukturer baserade på buckyballs (fullerener) – kolmolekyler formade som fotbollar – och forskas för närvarande ingående och används inom olika industrisektorer. Kolnanorör är en av de mest representativa kolstrukturerna, efter diamant och grafit, och har en diameter på endast cirka 1 nanometer. Tack vare sin extremt lilla storlek och unika bindningsstruktur har de en draghållfasthet som är överlägsen ståls och uppvisar utmärkt elektrisk och termisk ledningsförmåga. Dessutom, beroende på sin struktur, kan de uppvisa halvledaregenskaper, vilket gör dem till en lovande kandidat för nästa generations halvledarmaterial. Utöver detta används de inom olika områden som platta bildskärmar, batterier, kompositmaterial och biosensorer, och pågående forskning bedrivs.
När nanomaterial har producerats med hjälp av de ovan nämnda top-down- och bottom-up-tillverkningsteknikerna är nästa steg att utveckla tekniker för att manipulera och integrera dessa material. Det som dock först måste utvecklas är mätteknik som kan mäta egenskaperna hos de tillverkade nanomaterialen korrekt. Detta beror på att det utan tillräckligt avancerad mätteknik är omöjligt att korrekt förstå vilka fenomen som uppstår på nanoskala. Det finns dock ett stort hinder i utvecklingen av nanoskalig mätteknik: det faktum att kvanteffekter uppstår när ett materials storlek blir extremt liten. När kvanteffekter uppstår blir det svårt att förklara fenomen med hjälp av endast de fysikens lagar som är tillämpliga på vardagliga skalor, vilket gör det utmanande att korrekt mäta materialens egenskaper. Dessutom, när storleken minskar, blir själva mätsignalen mycket svag och påverkas kraftigt av omgivningsbuller, vilket kräver mycket känslig mätutrustning. Av dessa skäl är nanometrologi fortfarande ett område för aktiv forskning idag.
Tekniker för att manipulera och integrera nanomaterial är också områden som kräver ytterligare utveckling i framtiden. För närvarande används precisionsmanipulations- och integrationstekniker i stor utsträckning på mikrometerskala – vilket är mycket större än nanoskala. Ett utmärkt exempel är halvledarindustrin. Den kontinuerliga förbättringen av halvledarprestanda idag är ett resultat av framsteg inom dessa mikrofabrikationstekniker. Om ännu mer exakt manipulation och integration på nanometernivå blir möjlig i framtiden, förväntas prestandan hos olika elektroniska enheter, inklusive halvledare, förbättras avsevärt jämfört med nuvarande nivåer. Tillsammans med detta förväntas tillämpningstekniker för nanokomponenter, såväl som modellerings- och simuleringstekniker, också bli mer sofistikerade baserat på framsteg inom mätnings-, manipulations- och integrationstekniker.
Så, hur kommer nanotekniken att se ut när dessa tekniska utmaningar är lösta? I sin bok från 1991, "Unbounding the Future", identifierade Eric Drexler datorer, tillverkning och medicin som områden med särskilt hög potential för framtida utveckling. Inom datavetenskap lyfte han fram utvecklingen av bioelektronik som en viktig möjlighet. Bioelektronik är ett konvergent område som kombinerar bioteknik och elektronik, med utvecklingen av biodatorer som ett av dess primära forskningsmål. Även om det ännu inte är klart exakt vilken form biodatorer kommer att ta, pågår olika studier för att övervinna begränsningarna hos befintliga kiselhalvledare genom att använda biomolekyler som proteiner.
Biodatorer är bara ett exempel på framtida tekniker som möjliggörs av nanoteknik. I takt med att nanotekniken utvecklas ytterligare kommer tillverkningstekniker som exakt kontrollerar material på atomnivå sannolikt att bli ännu mer sofistikerade. Medan nuvarande tillverkningsmetoder innebär att ett stort antal atomer bearbetas samtidigt för att skapa produkter, förväntas möjligheten att designa och montera material med precision på atomnivå möjliggöra produktion av produkter som bättre matchar den ursprungliga designavsikten. Dessutom förväntas det bidra avsevärt till att förbättra produktkvaliteten och tillförlitligheten, samt till utvecklingen av material och produkter med nya egenskaper som tidigare var svåra att uppnå.
Det medicinska området förväntas också bli starkt influerat av nanoteknik. Det område som kombinerar nanoteknik och medicin kallas nanomedicin. Eftersom sjukdomar i människokroppen ofta har sitt ursprung på cellulär och molekylär nivå kan nanoteknik spela en avgörande roll för att diagnostisera och behandla sjukdomar med större precision. Faktum är att forskning och kliniska tillämpningar som använder nanoteknik pågår aktivt inom olika områden, inklusive läkemedelsleveranssystem som selektivt levererar läkemedel till specifika platser, cancerbehandling, vävnadsregenerering och diagnostiska tekniker. Det förväntas att utvecklingen av ännu mer sofistikerad nanoteknik i framtiden kommer att avsevärt förbättra effektiviteten och säkerheten vid sjukdomsbehandling.
Baserat på vad vi hittills har diskuterat ser framtiden ljusare ut tack vare framstegen inom nanoteknik. Men liksom andra banbrytande tekniker har nanotekniken också flera negativa aspekter. Eftersom nanopartiklar är extremt små kan de uppvisa egenskaper som skiljer sig från vanliga partiklar när de introduceras i människokroppen. Faktum är att forskningsresultat har rapporterats som tyder på att vissa nanomaterial kan komma in i kroppen via luftvägarna eller huden och potentiellt påverka hälsan. Eftersom risknivån kan variera beroende på materialtyp och exponeringsmetod pågår forskning och säkerhetsbedömningar. Dessutom väcks ständigt oro över möjligheten att nanoteknik kan användas för skadliga syften. För att nanoteknik ska kunna användas till förmån för mänskligheten måste därför säkerhetsverifiering och etiska och sociala diskussioner fortgå i takt med den tekniska utvecklingen.
Vi har hittills granskat nanoteknik ur olika perspektiv. För närvarande erkänner inte bara USA och andra utvecklade länder utan även länder runt om i världen, inklusive Sydkorea, nanoteknik som en viktig framtidsindustri och fortsätter att investera kraftigt i forskning och utveckling. Även Sydkorea implementerar kontinuerligt nationella strategier för att främja nanoteknik och stärker sin konkurrenskraft inom olika industrisektorer, såsom halvledare, bildskärmar, laddningsbara batterier, bioteknik och avancerade material. Som sådan utvecklas nanotekniken snabbt baserat på stadig forskning och investeringar, och den förväntas fortsätta att spela en betydande roll inom naturvetenskapen och inom industrisektorn som helhet. Dessutom, i takt med att dess tillämpningsområde expanderar över olika industrisektorer, kommer den att etablera sig som en kärnteknik som är ännu närmare sammanflätad med våra dagliga liv.
