• Nanoteknologia

    Nanoteknologia

Miten nanoteknologia toimii

Pelkkä kokoluokka ei riitä teknologian määrittelemiseksi. Eihän meillä ole metriteknologiaa tai kilometriteknologiaa. Jos kokoluokaksi otetaan alustavasti nanometristä mikrometriin, tarvitaan lisämääreiksi vielä funktionaalisuus ja manipuloitavuus. Funktionaalisuus tarkoittaa sitä, että nanorakenteella voidaan suorittaa sellainen haluttu toiminnallinen tehtävä, johon rakenne on alun perin suunniteltu. Manipuloitavuudella ymmärretään yksittäisen nanorakenteen hallittavuutta. Nanorakenne on joko pystyttävä luomaan itsejärjestäytyvänä nanorakenteena tai siirtämään tai kokoamaan hallitusti haluttuun paikkaan.

On syytä nostaa esiin eräs vielä puhtaan perustutkimuksen piiriin kuuluva alue: kvantti-ilmiöt ja niistä johtuvat aivan uudet ominaisuudet nanorakenteissa. Kokoskaalaa, jossa kvantti-ilmiöt tulevat hallitseviksi ei voida yksikäsitteisesti määritellä. Tämä johtuu siitä, että kvantti-ilmiöiden vaikutus riippuu koon lisäksi muun muassa lämpötilasta ja materian olomuodosta. Karkeasti voidaan kuitenkin sanoa, että kvantti-ilmiöt ovat hallitsevia kokoluokassa 0,1 – 100 nanometriä. Nykyään on atomi- ja molekyylitasolla päästy sellaisiin koetekniikoihin, että voidaan hyvin puhua kokeellisesta kvanttimekaniikasta. Tämä perustutkimus synnyttää aikanaan erilaista uutta tekniikkaa ja sovelluksia. Nanoteknologian ytimessä onkin kvanttimekaniikka ja siitä alkunsa saavaa teknologiaa voidaan hyvinkin kutsua kvanttiteknologiaksi.Kvanttiteknologia on pääosin tulevaisuuden asia.

Materials science pioneer Katayun Barmak takes you behind the scenes at Columbia Nano Initiative’s new Electron Microscopy lab where researchers probe the nature of materials at the nanoscale.

Tällä hetkellä nanoteknologian kaksi päälinjaa ovat nanometristä ylöspäin toimiva nanokemia (bottom up) sekä mikrometristä alaspäin, pääosin mikromekaniikan menetelmiä soveltava teknologia (top down), joka tuottaa mm. antureita, sensoreita ja elektroniikkakomponentteja. Nanoteknologian rajat ovat sumeat, ja sen ympärillä on ”harmaa” vyöhyke, jossa tarkka rajankäynti on mahdotonta.

Tämän hetken nanoteknologian voi karkeasti jakaa kahteen osaan. Ensimmäisen lähtökohtana on elektroniikkateollisuuden piiteknologia, puolijohdemateriaalit ja yleensä epäorgaaniset materiaalit. Tämä top-down-teknologia perustuu tavalla tai toisella lähtömateriaalin työstöön: joko poistavaan (esimerkiksi litografia) tai kasvattavaan työstöön (esimerkiksi ohutkalvojen kasvatus). Bottom-up-teknologialla on puolestaan lähtökohtana kemia. Tällöin lähdetään liikkeelle molekyyleistä, joista rakennetaan toiminnallisia rakenteita. Tämä kahtiajako heijastuu nanoteknologiaan liittyviin prosesseihin.

Bottom-up -teknologiassa taas mittauksen kohteena ovat molekyylien ominaisuudet, kuten molekyylin rakenne, molekyylin funktionaaliset ryhmät, molekyylin elektroniset ominaisuudet jne. Lisäksi halutaan ennakoida, millaisia rakenteita molekyylit itseorganisoitumisen kautta muodostavat.

Kun tarkastellaan lopullista rakennetta, on top-down-teknologian tuotteelle tyypillistä rakenteen hyvin tarkka geometria, eli sille on ”piirustukset”. Samoin rakenteen toiminta on tiiviisti kytketty geometriaan: esimerkiksi vaurio jossakin osassa rakennetta tekee sen toimintakyvyttömäksi. Tällaisen laitteen rakenne ja sen toiminta vastaa siten varsin tarkkaan sitä perinteistä mielikuvaa, joka meillä on koneesta. Bottom-up-teknologiassa ei käytetä piirrustuksia, vaan ne korvataan molekyylisynteesin täsmällisellä hallinnalla. Itseohjautuvat molekyylireaktiot eivät myöskään tuota yksinkertaisia geometrisia muotoja, vaan muodoltaan enemmän tai vähemmän epämääräisiä rakenteita. Tämän lisäksi supramolekyyleillä on itsekorjautumiskyky.

Materiaalien karakterisointi.

Monet materiaalin ominaisuudet, kuten lujuus sekä optiset ja sähköiset ominaisuudet riippuvat rakenneyksikköjen koosta. Tästä johtuen materiaalien karakterisointi on tärkeä alue. Nanoteknologian rajalinjan voi vetää siihen, minkä kokoiseen yksikköön karakterisointi kohdistuu. Esimerkiksi nanokomposiitista tehdyn makrokappaleen koestus ei kuulu nanoteknologiaan, mutta yksittäisen nanoputken sähkönjohtavuuden mittaus kuuluu. Samoin itsejärjestäytyvien supramolekyylien karakterisoinnin katsotaan kuuluvan nanoteknologiaa.

Biotechnology/Nanotechnology/Germany Summit 2017. Andrew Hessel is a futurist and catalyst in biological technologies, helping industry, academics, and authorities better understand the changes ahead in life science. He is a Distinguished Researcher with Autodesk Inc. Bio/Nano Programmable Matter group, based out of San Francisco. He is also the co-founder of the Pink Army Cooperative, the world first cooperative biotechnology company, which is aiming to make open source viral therapies for cancer.