Størst på det minste

  • Publisert 31.08.06

Ved NTNUs nye nanolaboratorium kan forskerne teste de innerste egenskapene ved nye og gamle materialer. På milliontedels millimeter-nivå.

Hysitron TriboIndenter, maskinen som tester de små ting.

Hysitron TriboIndenter, maskinen som tester de små ting.

I et rom på NTNU i Trondheim står lille Hysitron TriboIndenter og venter utålmodig på å få føle seg fram på bittesmå overflater. På utsiden ligner den en gigantutgave av en hjelm fra Star Wars. Inni ser den ut som et mikroskop, med en symaskinfot på.

Den er Skandinavias mest avanserte maskin for å teste egenskapene til materialer, på nanonivå. I dag vet vi hva som skjer med materialer når de opptrer i stor skala. Hysitron TriboIndenter kartlegger de reelle egenskapene i den minste skalaen.

Under alle forhold

En nanometer er en tusendel av en tusendels millimeter. Med så finstilte enheter å måle med, må maskinen skånes for alle ytre påvirkninger. Derfor står den i et rom som har vibrasjonsdemping, støvsugende vegger og akkurat den riktige temperaturen.

– Maskinen har disse egenskapene også, og det gjør at vi kan teste materialers egenskap under alle mulige forhold. Skal vi lage en superbetong som skal tåle arktisk klima, må vi kunne teste hva som skjer på mikrostruktur og atomnivå når materialet utsettes for temperatursvingninger og stor last, sier professor Zhiliang Zhang ved NTNUs Institutt for konstruksjonsteknikk.

Ugelstadkuler i ny innpakking

De såkalte ugelstadkulene er bittesmå, helt identiske i størrelse, og brukes blant annet i medisinsk sammenheng. Når man for eksemplel skal sjekke om organer for transplantasjon matcher sin mottager, er det ugelstadkuler som gjør jobben.

Nå har bedriften Conpart, som har sitt utspring i NTNU og Sintef, funnet en helt ny måte å bruke disse kulene på, innen mikroelektronikk. Conpart lager kuler til innmaten i displayer med flytende krystaller. Inni disse skjermene er det små metallkuler som lar strøm flyte i en bestemt retning. Dette er grunnlaget for at vi ser tekst og bilder på skjermene våre.

Kulene som lages i dag, er både dyre og tunge, og de må lages i et stort antall, for at man etterpå kan plukke ut de som har riktig størrelse. Med Ugelstads metode får man med en gang alle kulene i riktig størrelse.

Når man i tillegg lager kulene av noe lettere enn metall, og så dekker dem med et tynt metallag, sparer man enormt. Samtidig blir kvaliteten på skjermbildene mye bedre. NTNU skal nå teste egenskapene til disse nye ugelstadkulene enkeltvis inni den nye maskinen i nanomekanisk laboratorium.

Tester med trykk

Ved hjelp av en prosess som kalles nanoindentering, blir overflaten på kulene trykket forsiktig ned. Hvor langt, og med hvilken kraft, materialene blir «skviset», kan styres i detalj. En spiss trykkes mot materialet. To elektriske plater som sitter over hverandre på denne spissen, vil da komme nærmere hverandre. Resultatet er at kapasitansen – det vi si evnen til å lagre elektrisitet – mellom platene endrer seg.

Innsiden av Skandinavias mest avanserte nanotester ser like beskjeden ut som utsiden, men her inne blir framtida skapt.

Innsiden av Skandinavias mest avanserte nanotester ser like beskjeden ut som utsiden, men her inne blir framtida skapt.

Denne endringen blir et uttrykk for hvor mye det undersøkte materialet gir etter for trykk. Basert på gjentatte tester med forskjellig trykk, bestemmer man forskjellige materialers mekaniske egenskaper. Dette gir grunnlaget for å finne ut hvordan de nydesignede materialene egner seg for forskjellige formål.

Vil løse rørmysterium

– Maskinen skal også brukes for å se om vi kan finne ut av et av oljeindustriens største problemer. De siste årene har verdier for milliarder gått tapt ved at rørledninger på havbunnen får problemer med sveisesømmen. Det kalles hydrogensprøhet, men ingen vet helt hva som er årsaken til at metallkvaliteten blir forringet så fort av hydrogen.

– Vi skal prøve å løse dette mysteriet, sier professoren med solid mekanikk og materialer som spesiale.

Fra krymping til bygging

Det er nesten seksti år siden den amerikanske fysikeren Richard Feynman innledet nanoteknologiens æra med sin berømte tale «There’s plenty of room at the bottom».

I hans visjon var i prinsippet ingenting begrenset av annet enn atomers størrelse. Han ville lagre alle bøkene i verden inni ett bibliotekskort, og lage en «kirurg» som skulle sendes inn i menneskets blodbane for å lete opp feil.

Mye av det Feynman forutså, har for lengst blitt virkelighet. Men angrepsvinkelen har nok endret seg.

– Da Feynman begynte, tenkte man mest på å krympe ned kjente størrelser og mekanismer, sier professor Zhiliang Zhang.

– Nå har vi valgt en helt annen vinkel på problemstillingene. Nå fokuserer vi på å bygge opp fra atomnivå akkurat det vi ønsker av materialer og «dingser».