Store oppdagelser om små partikler

NANOPARTIKLER: Nanoforskere er oppdagelsesreisende på vei inn i et nært, men ukjent landskap. Nanopartikler er bittesmå, og vi har bare så vidt begynt å forstå verden på dette nivået. Vi vet at denne verdenen er viktig, men ikke hvordan den fungerer.

Figuren viser nanopartikler med ulike former som tilføres varme. Den viser hvordan kapitsamotstanden (se faktaboks) mot varmestrømmen varierer på ulike deler av partikkelen. Motstanden er lavest i de røde områdene, som blir varmet hurtigere. Illustrasjon: Øivind Wilhelmsen/NTNU VIS MER

Forskere ved NTNU gir oss nye kunnskaper om fenomener som vi ikke har skjønt før. Dette kan hjelpe oss når vi skal spesialdesigne nanopartikler.

 Formen bestemmer egenskapene

Forskerne har blant annet funnet ut hvordan nanopartikler med ulike former transporterer varme og masse. De har utviklet den nye metoden selv.

– Formen på en nanopartikkel har mye å si for hvordan egenskapene dens er, sier Øivind Wilhemsen, som er stipendiat ved Institutt for kjemi ved NTNU.

For eksempel leder en smultringformet nanopartikkel varme og masse på en helt annen måte enn en som er formet som en rugbyball, selv om de er laget av samme materiale. Dette har med krumningen på overflaten å gjøre, forklarer Wilhelmsen.

En smultringformet nanopartikkel som tilføres varme kan for eksempel vames mye hurtigere på utsiden av ringen enn på innsiden mens en partikkel formet som en rugbyball typisk varmes hurtigst i endene. (Se Illustrasjon .)

Med andre ord kan egenskapene til en nanopartikkel endres ved å endre formen på den. Det er svært nyttig å vite når vi skal spesialdesigne nanoteknologi i framtiden, forklarer Wilhelmsen.

• Les også: Ett skritt nærmere kvantedatamaskiner

 En helt annen verden

– Vi driver med grunnforskning, sier førsteamanuensis Titus van Erp, som også har vært sentral i arbeidet med å utvikle den nye metoden.

Nanoteknologer jobber med bittesmå ting. Størrelsen varierer fra rundt 0,1 nanometer til 100 nanometer. Én nanometer er en milliondels millimeter. (I faktaboksen kan du se hvor lite det er.)

Overflaten utgjør bare en liten del av store ting, men jo mindre en ting blir, dess større andel utgjør overflaten. Det er også en grunn til at forskning på overflaten av nanopartikler blir så viktig. På dette nivået utgjør overflaten en svært stor andel av hele partikkelen.

Vi vet altså ikke hvordan verden fungerer på dette størrelsesnivået. Nanopartikler er så små at de ikke oppfører seg på samme måte som verden vi observerer til daglig. Samtidig er de for store til at vi kan bruke atommodeller på dem.

Det er her folk som van Erp og Wilhelmsen kommer inn.

• Les også: – Etter oljen kommer nanoteknologien

Kan gi nye romskip

Skal vi få til å benytte oss av alle mulighetene nanoteknologi gir oss, må vi først skjønne hvordan strukturer oppfører seg når de blir så bittesmå. Nanoteknologi er blant de studiene det er vanskeligst å komme inn på ved NTNU. Noen av de dyktigste folkene vi har ønsker å bidra til et stadig voksende fagfelt.

Nanoteknologi kan brukes til målrettet levering av medisiner til bestemte steder i kroppen. Den gir nye muligheter innenfor kjemi, mer effektive solcellepaneler eller kan gi oss datamaskiner som nesten ikke bruker strøm, men likevel er mye, mye raskere enn noe vi har tilgjengelig nå.

Øivind Wilhemsen og Titus van Erp har vært sentrale i å utvikle en ny metode for å finne ut hvordan nanopartikler med ulike former transporterer varme og masse. Foto: Per Henning/NTNU VIS MER

Nanoteknologi har også betydning innenfor romfart. Det kan gi oss materialer som gjør romskip lettere uten å gjøre dem svakere, eller som kan brukes som kabler i romheiser. Det kan igjen redusere prisen for å sende noe ut i rommet. Eller hva med bittesmå roboter som reparerer en lekk romdrakt, eller som gir astronauten medisiner i en krisesituasjon? Nanosensorer kan også brukes til å utforske andre planeter.

Dette er den raskest voksende teknologien i verden nå, og er et område der Norge vil nyte godt av å etablere miljøer som også tiltrekker de beste hodene fra andre land.

Superstabile

Det samme, svært internasjonale forskermiljøet ved NTNU har også tatt for seg metastabile væsker og gasser, såkalte metastabile fluider. Disse er normalt bare stabile i kortere tid før de, tilsynelatende uten ytre påvirkning, går over i en ny tilstand.

Forskermiljøet har funnet ut at disse metastabile fluidene kan holdes stabile i nanobeholdere. Disse beholderne er så bittesmå at de hindrer at fluidene forandrer seg. De blir superstabile isteden. Da er de mye lettere å forske på.

Forskerne ved NTNU har kommet frem til metoder for å beregne nøyaktig hvor store disse nanobeholderne må være for å holde fluidene stabile. Det åpner derfor for nye muligheter for å forstå egenskapene til disse stoffene på flere områder innenfor både forskning og i industrien.

I industrien er egenskapene til metastabile fluider svært relevante for å forstå hva som skjer hvis uhellet er ute, og hendelser skulle forløpe hurtig. Ett eksempel er hvis det  går hull på tanker med flytende naturgass.  Om denne havner i havet vil naturgassen kunne eksistere som en metastabil fase en stund. Etter hvert kan naturgassen eksplodere hurtig og med stor kraft.

Hvis det skulle gå hull på en rørledning for transport av CO₂, eller man skulle foreta en trykkavlastning, kan CO₂ bli metastabilt.

Det er viktig å forstå egenskapene til metastabile fluider for å bli i stand til å forutse hva som skjer når uhellet er ute. Da kan du bedre sikkerheten. Her kan nanoteknologi komme inn i bildet.

Publikasjoner

Van Erp og Wilhelmsen fikk sammen med Thuat T. Trinh, Signe Kjelstrup og Dick Bedeaux publisert sin nye metode for å beregne transport av varme og masse i det prestisjetunge tidsskriftet Physical Review Letters.

Resultatene fra forskningen på superstabilitet ble publisert i viktige The Journal of Chemical Physics, der Wilhelmsen samarbeidet med Kjelstrup, Bedeaux og David Reguera.