Figur 1 Frå reklamefilmen Uvær, regissert av Arild Frölich. Brukt etter løyve frå Paradox Reklamefilm, Drygolin Reklame.
Figur 2 Nano-silika-partikkel: sandkorn med diameter mindre enn 1/1000 av tjukkleiken til eit menneskehår. Foto: Dr. Victor Lin, Iowa State University.

Eksempelet over viser fleire viktige forhald: (i) at nanoteknologi kan gi svært nyttige materialeigenskapar, (ii) at nanoteknologi er ein realitet og finst i mange produkt som vi omgås dagleg, og (iii) at det er lite samsvar mellom forstavinga nano og faktisk innslag av nanoteknologi. Vi anar dessutan at vurdering av helse- og miljørisiko av nanoprodukt kan vere komplisert og skjer ofte i ettertid. Kombinert med at styresmaktene er på etterskot når det gjeld regelverk knytt til nanoteknologi, betyr dette at ålmenta, det vil seie oss alle, har bruk for informasjon om nanoteknologi for å kunne hevde våre rettar som forbrukarar og ansvarlege samfunnsborgarar. Ingen er nærare til å bidra med informasjon om nanoteknologi enn forskarane som arbeider med desse problemstillingane til dagleg, og dette heftet representerer eit ønske om å ta ansvaret på alvor.

Den store interessen for nanoteknologi kjem frå potensialet til å levere løysingar på mange av dei store utfordringane som samfunnet vårt møter, til dømes innan medisin og helse, innan sanking, omdanning, lagring og sparing av energi, innan miljø og bærekraftig utvikling, og innan konstruksjon. Dette er tema for dei to første artiklane i heftet. Lars Herfindal med fleire forklarar korleis nanoteknologi kan nyttast til målretta levering av medisin der kor problemet finst, medan Henning Heiberg-Andersen gir ei brei innføring i utfordringane innan energisektoren og kva rolle ein kan forvente at nanoteknologi kan spele her. Når ein oppnår svært ettertrakte eigenskapar i nye typar material, så er det rimeleg å tenke at det også kan oppstå uønskte eigenskaper som det er viktig å kjenne til. Kor trygt er nano? spør Mihaela Roxana Cimpan og Nils Roar Gjerdet

som mellom anna arbeider med toksikologiske problemstillingar ved nanopartiklar. Dette temaet blir sett inn i ein etisk samanheng av Roger Strand, som mellom anna tek opp ansvaret som forskarar og regulerande styresmakter har.

Ein føresetnad for nanoteknologi er at vi er i stand til å «ta bilete» med så høg oppløysing at vi ser korleis det aktuelle materialet er bygd opp på lengdeskala ned mot 1 nanometer. Anja Underhaug Gjerde og Bodil Holst forklarar prinsippa for og bruken av to av dei viktige teknikkane for å observere verda på mikro- og nanometerskala.

Nanoteknologi krev at vi ikkje stoppar ved observasjon men aktivt går inn og endrar materialet på denne lengdeskalaen. Dette føreset at vi har ei forståing av kva endringar som er nyttige for å skape eit spesielt fenomen eller for å få optimale eigenskapar for eit aktuelt produkt. Men like viktig er det at vi har metodar for å skape dei ønskte strukturane på nanometerskala, på ein kontrollerbar og effektiv måte. Det finst mange ulike tilnærmingsmåtar som Hanna Tikkanen og Crina Suciu gjer greie for i artikkelen sin. Dei brukar våt-kjemiske metodar for effektiv produksjon av svært fine partiklar, for bruk i brenselceller. Andre bruksområde kan kreve heilt andre typar material og metodar, og Erik Mannseth tek for seg litografiske metodar for å lage mikro- og nanostrukturar gjennom å risse eller «skrive» ved hjelp av lys- eller elektronstråler. Dette er viktig ved produksjon av mikro- og nanoprosessorar. Medan nanopartiklar er karakterisert ved kornstørrelsen, er kjenneteiknet på nanoporøse material at porene har diameter i nanometerområdet. Korleis slike material kan lagast og kva dei er nyttige for, fortel Pascal Dietzel. I den siste artikkelen vil vi sjå at nanopartiklar er viktige i mange naturlege system og prosessar, t.d. ver og klima. Så heller enn å avskaffe nabopraten, gjer nanopartiklar at veret blir enda meir spennande å snakke om!

Men la oss stoppe opp litt opp før vi går djupt inn i bruk og tilverking av nanoteknologi og ulike sider ved dette. For korleis kan det oppstå nye eller sterkt endra eigenskapar berre ved å redusere storleiken, t.d. av partiklar? Dette er spørsmålet som resten av denne introduksjonen vil kaste lys over, ved å følgje ein gullklump sin vei til å bli nano.

Frå gull til nano

Gull har i uminnelege tider vore brukt til å lage dyre og vakre smykke. Dette er fordi gull er edelt, har vakker gylden glans, og kan lett formast. Vi er vane med at eigenskapar som farge og reaktivitet blir bevart når eit material blir delt opp i mindre deler – la oss følgje ein slik prosess i tankane for gull!

Gull er eit mjukt metall, og dersom vi har ein gullbarre for handa, kan vi lett skjære av ein bit. Startar vi med ein terning med sidekant 1 cm, kan vi først skjære av ei skive med tjukkleik

0,1 cm; deretter skjære av ei 0,1 cm brei stripe av skiva og til slutt kutte av 0,1 cm av stripa. Dette vil gi oss ein liten terning med sidekantar som er 0,1 cm (eller 1 mm) lange. Dersom vi samanliknar den nye terningen med utgangsterningen, har sidekanten minka med ein faktor 10, overflatearealet av den lille terningen er 100 gonger mindre enn for utgangsterningen, medan volumet er ein faktor 1000 gonger mindre. Likevel har terning nr. 2 same gyldne farge; han er like edel, og han er like lett å skjære i som utgangsterningen var. Dette freistar til gjentaking men med utgangspunkt i terning 2. Dersom vi lagar nye terningar etter same oppskrift vil sidekanten blir redusert med ein faktor 10 i kvart steg og den femte terningen har sidekantar som er 0,0001 cm lange. Dette er 10–6 m, eller 1 μm. Framleis er gullpartikkelen gylden og edel, men forma på partikkelen vil bli meir oktaedrisk ved at hjørna blir avrunda og det blir danna fasettar på sideflatene.

Vi kan fortsatt lage mindre gullpartiklar, og dette blei gjort systematisk av Michael Faraday i 1856 ved å redusere gullklorid oppløyst i vatn. Dette er eksempel på eit kolloidalt system, nærare bestemt ein gull-sol – sjå meir i faktaruta om dette. Faraday fann at til skilnad frå kva vi nett har diskutert for gullpartiklar med diameter ned mot 1 μm, så endra fargen på gull-solen seg drastisk med storleiken på partiklane. Dette blei utnytta teknologisk alt i mellomalderen, av glassmålarar som tilsette små mengder av gull i glasset for å få fram bestemte farger: gullpartiklar med diameter 100 nm gav orange farge; 50 nm gav ein fin grønfarge, og raudfargen i glassmaleria kjem frå gullpartiklar med diameter på omlag 25 nm. Sjølv om desse kunstnarane hadde detaljerte oppskrifter for tilsetjing av gullsalt og oppvarmingsprosedyrar, visste dei naturlegvis ikkje årsaka til desse fargane. Faktisk var liknande teknologi tatt i bruk alt i Romartida, til dømes i det verdskjente Lykur-begeret som består av glas med gullpartiklar med diameter omlag 70 nm. Dette begeret er grønt når det reflekterer lys utanfrå, medan begeret blir raudt når lyset skin gjennom begeret innanfrå.

Figur 3 Lykur-begeret. Attgjeve med løyve frå British Museum. © Trustees of the British Museum.

Kvifor endrar gullfargen seg når partiklane blir svært små? Oftast får eit stoff farge ved at det absorberer deler av fargespektrumet i kvitt lys (sollys) og omdannar dette til varme. Resten av spektrumet blir reflektert og utgjer dermed fargen til stoffet. Gull absorberer den blå fargen i regnbogen og vil dermed få gulfarge. Absorpsjonen skjer ved at eit elektron blir flytta frå ein 5d‑orbital til leiingsbandet som omfattar 6s- og 6p-orbitalar. I tillegg skjer det absorpsjon og direkte emisjon internt i leiingsbandet for overflata, og dette ser vi som sterk refleksjon og metallglans.

Lys kan beskrivast som eit elektrisk felt som svingar i både rom og tid. Det betyr at på eit visst tidspunkt vil berre atom som er svært nær kvarandre,

oppleve tilnærma det same feltet. Men for metallpartiklar som er mykje mindre enn bølgelengda for synleg lys, dvs. under 30 nm, vil alle leiingselektrona kjenne same felt. Då kan eit ganske svakt elektrisk felt setje igang ei kollektiv svinging av leiingselektrona over partikkelen, jf. Figur 4, føresett at det elektriske feltet er i takt med den naturlege svingefrekvensen til leiingselektrona. Ei slik koordinert elektronsvinging blir kalla plasmon, og for gull (i vatn) oppnår vi plasmonresonans med lys som har bølgelengd på omlag 520 nm. Dette tilsvarer grøn, og partikkelen vil få fargen til den ikkje-absorberte delen av lyset, altså raud. Absorpsjonsfrekvensen endrar seg noko med partikkelstorleiken men er mykje meir kjensleg for mediet som partikkelen er i, til dømes vatn eller glas, og fasongen på partikkelen.

Figur 4 Forenkla skisse av kollektiv svingning av leiingselektrona i en nanogullpartikkel.

Som nemnt ovafor, har glasmålarar lenge utnytta at gullpartiklar endrar farge til grøn og oransje når diameteren aukar til høvesvis 50 og 100 nm. Årsaka til denne endringa er at for større partiklar blir lysspreiing fort mykje viktigare enn absorpsjon, og 50 nm store gullpartiklar reflekterer effektivt den grøne delen av spektrumet. Det er altså eit storleiksavhengig samspel mellom dei to måtane som farge blir danna på, absorpsjon (som gir komplementærfargen) og refleksjon, som gjer gullpartiklar til slikt eit godt nanoverktøy for glasmeistrane.

Figur 5 Struktur av gullpartiklar festa til berar (venstre, og botn) og ei framstilling av korleis aktivitet (for oksidasjon av CO til CO2) endrar seg med diameter på gullpartikkel (topp, høgre. Frå A. T. Bell, Science 299, 1688 (2003). Attgjeve med løyve frå AAAS.

Gull er smykkematerial like mykje fordi det er edelt som at fargen er fin. Skjer det noko med den kjemiske reaktiviteten til gull når vi lagar stadig mindre partiklar? Gull forblir edelt lenge etter at fargen har endra seg til raud, ja først for partiklar som er under 5 nm i diameter, endrar gull kjemisk karakter. Faktisk er små gullpartiklar, festa til eit berarmaterial, ein svært aktiv kataly-

sator for ei heil rad ulike reaksjonar. Teoretiske modellar tyder på at det er gullatoma i sidekantane ned mot beraren som er spesielt viktige for å halde fast i molekyla som skal reagere. Ein av desse reaksjonane er fullstendig forbrenning av karbonmonoksid (kolos) til karbondioksid, og gullpartiklar med diameter 3 nm, festa til ein berar av titanoksid, får denne reaksjonen til å gå alt ved romtemperatur. Dette kan samanliknast med dagens bilkatalysatorar, som ikkje klarer same oppgåve like godt før motoren er blitt god og varm (500 °C). Ved småkøyring i ein by er ofte motoren ganske kald og med dårleg reinsa eksos som resultat – kanskje nanogull kan vere ei løysing?

Faktaboks kolloid

Både når det gjeld farge og reaktivitet ser vi at gull får heilt andre eigenskaper når partiklane blir små og med diameter på nanometerskala. Dette er den grunnleggjande fellesnemnaren i all nanoteknologi, og utfordringane ligg i å lage og manipulere slike strukturar med ein partikkelstorleik som gir optimale eigenskapar. For å kunne gjere dette effektivt, må vi bygge opp ein forståing av samanhengen mellom struktur på nanometerskala og eigenskaper som vi kan ha glede av innan ulike bruksområde. Fortsett god lesing!

Vidare lesing:

http://www.tu.no/bygg/2011/02/10/tor-ikke-markedsfore-nano

Jan Sire, Nano! Fagbokforlaget (2009)