Hva skal vi lage i dag?

I tegneseriene mikser Petter Smart kjemikalier for å lage fantastiske maskiner og materialer. Nå skjer det i virkeligheten: Forskerne designer framtidas materialer – på atomnivå.

Av Åse Dragland

I et laboratorium på NTNU står tre unge mennesker foran et vakuumkammer av stål. Thomas Tybell kikker inn i et optisk termometer for å sjekke temperaturen. Bak ryggen hans følger Turid Worren og Kjersti Midtbø interessert med. Forskerne fra NTNU og SINTEF er i ferd med å lage materialer i form av tynne filmer, og akkurat nå blir et nytt lag til inne i kammeret. Ved hjelp av en ionisert gass bombarderer Tybell kildematerialet sitt med ioner, oksygen og argon. Lag for lag blir til når ionene slår løs atomer fra materialet og disse avsettes på underlaget. Tykkelsen på filmene som bygges opp kan måles i nanometer – en milliondel av en millimeter.

Noen hundre meter lenger unna driver kollega Mari Ann Einarsrud med sin form for materialbygging: Ved å blande bestemte væsker (løsninger) setter hun i gang nøye tiltenkte kjemiske reaksjoner. I tillegg påvirker hun «tilberedningen» gjennom temperatur, pH, eller tilsetninger.

– Jeg kan lage filmer med tykkelse på noen nanometer som jeg smører utover en flate, men jeg kan også bygge opp tredimensjonale strukturer, forteller hun.

I flere år har hun jobbet med å konstruere et smart materiale kalt aerogel. Det er et gjennomsiktig,

isolerende materiale for vindu der man trenger isolasjon og lys. Disse forskerne representerer en ny utvikling innenfor materialteknologien: De skreddersyr nye materialer med bestemte egenskaper.

Smarte materialer16_17

Lenge har materialer vært noe vi har bygd og konstruert ting av. Bordbein av tre har som oppgave å holde bordet oppe. Betongen i oljeplattformen er reisverket som støtter opp under installasjoner, boliger og mennesker.

Framtidas materialer gir nye muligheter. De blir smarte og intelligente, har hukommelse og funksjoner. Tynne filmer – eller belegg – kan spesiallages med egenskaper som økt styrke, bedre sikring mot rust eller avvisning av grafitti! Forskerne må bare kjenne godt til hvilke egenskaper filmene har og hvordan de er bygd opp atomært, for å kunne utnytte mulighetene.

Utviklingen skjer på nano- og atom-nivå, og ifølge forskningsdirektør Unni Steinsmo ved SINTEF Materialteknologi er det ikke lenge før vi kan lage smarte materialer med oppskrift i hånd.

– Det ultimate ville være om vi på forhånd kunne regne ut hvilke egenskaper vi ønsker oss og så arrangere atomene slik at materialet får nettopp disse, sier Steinsmo. På instituttet hennes etableres nå et laboratorium der man skal teste og studere egenskapene i materialer nettopp på nanonivå.

På jomfruelig grunn

Fysikere, kjemikere og dataforskere har fått revolusjonert sine oppfatninger gjennom nanoteknologien. De siste tretti årene har kravet om forminskning vært rådende innenfor mikroelektronikk og IT-industri. Så støtte man på begrensninger: Det minste kunne ikke gjøres mindre! Men så fant forskerne ut at de kunne snu på flisa. I stedet for å tenke reduksjon og forminsking, kunne man tenke oppbygging. Cluet var å benytte de aller minste byggeklossene vi har – atomer.

– Nanoteknologi handler blant annet om å manipulere enkeltatomer eller bittesmå grupper av atomer. Siden ulike fag som biologi, kjemi, fysikk og materialvitenskap blir involvert, oppstår det nye prinsipper for vekselvirkninger og effekter. Dette bestemmer igjen hvordan de kunstig fremstilte materialene vil fungere. Man kan for eksempel kombinere uorganisk og organisk materiale til å framstille nye uorganiske materialer som ikke avvises av kroppen – som en kunstig hofte, sier Steinsmo.

Optiske funksjoner

Aage Stori er forskningssjef på SINTEF Materialtekologi. Det siste året har han forsket på en liten komponent som kan styre retningen på en lysstråle.

– Det startet med at den tidligere bedriften OptiSwitch i Horten engasjerte oss for å kvalifisere en komponent fra Russland, der materialet var ustabilt og endret seg over tid, forteller Stori. – Vi gikk inn, endret oppskriften på materialet, blandet inn ulike former for kjemikalier i gelen og fikk fram de egenskapene vi ønsket. Den myke, fleksible materialbiten er optisk gjennomskinnelig, og når biten legges mellom to elektroder, kan vi forandre formen på materialbiten gjennom å endre på det elektriske feltet. Responsen er meget rask og kan bl.a. brukes til å styre retningen på en lysstråle. Enheten kan derved benyttes som en bryter for optiske signaler eller til å styre lyset i gitte retninger.

Materialer for mikrosystemer

Turid Worren på SINTEF Materialteknologi er med i et prosjektteam som jobber på tvers av avdelingsgrensene. Her jobber forskerne med å lage funksjonelle keramer, dvs. forbindelser mellom flere grunnstoffer som fører til ytterst avansert «keramikk». Akkurat nå handler det om tynne filmer av piezoelektrisk materiale som skal brukes i mikrosystemer.

– I et slikt materiale kan vi forskyve positive og negative ladninger om vi slår med en hammer eller deformerer det på annet vis, sier Worren.

– Den ene siden av materialet blir positivt ladet, den andre negativt, og dermed har vi produsert elektrisk spenning. I bærbare datamaskiner utnyttes denne effekten til å tenne bakgrunnslyset i LCD-skjermen. Forskerne kan også gjøre det motsatte: I stedet for å produsere elektrisk spenning, kobler de elektrisk spenning på materialet, og får det til å utvide seg eller trekke seg sammen.

– Dette kan brukes til å lage mekaniske signaler, få ting til å vibrere eller flytte på seg, f.eks. i ultralydinstrumenter eller små scannere, sier Worren.

Forskerne skal lage en liten piezoelektrisk buzzer/lydgiver. Den består av en millimeter stor silisiumbjelke med tykkelse på noen mikrometer. Oppå legges et lag med piezoelektrisk materiale. Med elektroder og vekselspenning tilkoblet, får man bjelken til å svinge opp og ned noen mikrometer og oppnår en hørbar frekvens.

Metall med hukommelse

Det er når nanoteknologi og -forskning kommer til anvendelse, at begrepet funksjonelle materialer brukes. Materialene får egenskaper som endres under ytre påvirkning og er blant annet til stor medisinsk nytte.

«Olav» (67) hadde en svekket årevegg som gjorde at han fikk en sykelig utposning på en blodåre nær magen. For at den ikke skulle sprekke, førte legene på St. Olavs Hospital i Trondheim, en 14 cm lang protese inn i den svake åren. Protesen var omgitt av et spesielt metallnett som ble nedkjølt før inngrepet. Inne i åren nådde legeringen kroppstemperatur igjen. Nettet videt seg ut, festet seg med små kroker til åreveggen og forsterket blodkanalen slik at Olav kan leve i beste velgående i dag.

Nikkel-titan-blandingen i metallnettet er et hukommelsesmetall. Materialet skrumper inn ved avkjøling, men «husker» likevel sin egentlige form og spretter tilbake til denne når temperaturen går opp.

– Flere tusen europeere går allerede med slike legeringer operert inn i kroppen, opplyser Hans Olav Myhre ved St.Olavs hospital.

Å huske et jordskjelv

Materialer som finner tilbake til opprinnelig form, kan også benyttes på andre felt. Elkem i Norge finner hukommelsesegenskapene interessante med tanke på opptak av svingninger og energi. I områder utsatt for jordskjelv kan bygninger plasseres på store blokker av hukommelsesmetall. Hvis et jordskjelv inntreffer, kan praktisk talt all energi fanges opp av metallet, og bygningene vil fortsatt stå rett når skjelvet er over.

Også innenfor oljebransjen er metallene testet ut. Forsker Asbjørn Andersen ved SINTEF Petroleumsforskning mente slike legeringer måtte være ypperlige til bruk nede i oljebrønner som aktuatorer som fikk ventiler til å åpne og lukke seg. Det ble også testet ut om det var mulig å bruke konseptet til å feste kabel gjennom 5 km langt kveilrør.

– Det ville vært kjempesmart å lage små klumper med hukommelseslegering på kabelen for så å sirkulere varmt vann gjennom røret og få kabelen til å svelle ut og danne gripearmer. Saken var bare at et annet selskap har laget alternativ teknologi til dette bruk, forteller Andersen. Trass i produkttørke har rapportene fra SINTEF Petroleumsforskning fått stor oppmerksomhet.

Videreutvikling

Funksjonelle materialer er ikke noe nytt fenomen. Mobiltelefoner, datamaskiner, solcellepaneler, brenselceller, renseanlegg – alle benytter seg av funksjonelle materialer for at de skal virke som ønsket. Hukommelsesmetall ble første gang beskrevet i 1932 som en gull-kadmium-legering. Senere har man arbeidet intenst med å forstå og videreutvikle legeringene for kommersielt bruk. Likevel er det først nå man har fått øynene opp for mulighetene som ligger på området. Nesten all teknologisk utvikling i dag er knyttet til nye funksjonelle materialer – og det er nå det satses for fullt på å utnytte mulighetene som ligger her.

De nye IKT-materialene har de mest fantastiske benevnelser: Når kapasiteten på CD, MD og DVD er fire-doblet, skyldes det f.eks at laserdioden er basert på indium-galliumnitrid. Det konvensjonelle lesehodet på harddisken er skiftet ut med et hode basert på materiale kalt giant magnetresistors som gjør at signalene kan pakkes tettere. Og når vi kan lagre stadig hurtigere, skyldes det oksider som magneto-optiske materialer. Vi kan utvikle det meste, sier Unni Steinsmo.

– Sannsynligvis vil smarte materialer være avgjørende for å kunne løse energi- og miljøproblemene verden står overfor. Skal vi kunne produsere energi fra fossilt brensel uten å slippe ut klimagasser, trenger vi keramiske membraner som gjør det mulig å separere oksygen, CO2 og hydrogen ved høy temperatur. Skal vi kunne utnytte sollyset, trenger vi nye prosesser for å fremstille silisium til solceller. Og skal hydrogensamfunnet kunne realiseres, er vi helt avhengig av nye materialer til å produsere, lagre og konvertere hydrogen. Men vi trenger kompetanse – og det er det vi arbeider med nå.

Gemini fakta:

  • Funksjonelle materialer er materialer med egenskaper som endres under ytre på- virkning. Disse kan brukes som membraner, kataly- satorer, tynne filmer, halv- ledere, sensorer m.m.
  • Nanoteknologi handler om å kontrollere, manipulere og konstruere materialer på atom- og molekylnivå.
  • I Norge har man sett nød- vendigheten av å bygge opp kompetanse innenfor nano- teknologi og funksjonelle materialer. Vi ligger etter i det internasjonale kappløpet og har forsket lite på disse materialene. Derfor har UiO, IFE, SINTEF og NTNU startet et nasjonalt samarbeid kalt FUNMAT. Det er satt av 150 millioner kroner årlig i ti år gjennom programmet til å heve kompetansen. De fire institusjonene samarbeider, legger planer og starter strate- giske satsninger innen funk- sjonelle materialer og nano- teknologi.
  • Laboratorium med tungt avansert utstyr er en forutset- ning i FUNMAT. NTNU planlegger en syntese-lab for å kunne lage materialer på nanonivå. Ved UiO etableres et nytt felles «Laboratorium for Funksjonelle Materialer» og SINTEF bygger opp et laboratorium for å studere egenskapene i materialer på nanonivå.