Forside
   Tidslinie
   Kolofon

Temaer
hverdagen i 2022
Undervisning
materiale for 8.-10. klasse
Mit liv 2022
hvordan bliver det?
En verden i nano

Er nanomani den store dille i 2022? Svaret er både ja og nej. Ja, fordi alle i år 2022 ved at nanoteknologi refererer til en verden hvor byggeklodserne er atomer, molekyler, DNA strenge, små virus kapsler eller hele celler, og nanoteknologi vil danne baggrunden for en industriel revolution med stor samfundsmæssig betydning. Nej, fordi nanoteknologien i år 2022 vil være langt mere end en kortvarig dille. I år 2022 vil man sige: Småt har aldrig være større.

Af Flemming Besenbacher,
professor dr. scient,leder af Interdicisplinært Nanoscience Center (iNANO) ved Aarhus Universitet

Gå i dag en tur på strøget og spørg dem du møder, om de har hørt om nanoteknologi og, hvor mange nanometre, der går på en centimeter? Det er de færreste, der vil kunne svare. Dette vil have ændret sig radikalt i år 2022, hvor de fleste vil betragte nanoteknologi som den nye bæredygtige teknologi.

Hvis man skriver sit navn med en millimeter høje bogstaver, vil alle sige at disse bogstaver er meget små (som i denne tekst), men i nanoverdenen er disse bogstaver ENORME!

Hvis man nu forestiller sig, at man kunne skrive bogstaverne tusinde gange mindre, bliver de en mikrometer høje - hvilket er så småt, at de kun lige præcis kan ses i et almindeligt mikroskop. Tænker vi os at vi formindsker teksten yderligere tusinde gange, bliver bogstaverne en nanometer høje og vil størrelsesmæssigt befinde sig i atomernes og molekylernes verden. Sådanne nano-bogstaver vil være så ufatteligt små, at man med dem kunne skrive hele bibelen 300 gange på enden af et enkelt hår! Når man tænker på det meget store antal bogstaver, der findes i bibelen, illustrerer dette det enorme potentiale - i dette tilfælde for informationslagring - der ligger i at kunne kontrollere de mindste bestanddele af alt stof, atomerne.

Den teknologi, der gør dette muligt - nanoteknologien - eksisterer til en vis grad allerede og udvikler sig i disse år med en overvældende hast. Nano er netop nu naturvidenskabens fortrukne buzz word og er det område hvor fremtidsvisionerne og fantasierne er størst.

Et gennembrud

Et gennembrud kom i 80'erne, med udviklingen af det såkaldte Skanning Tunnel Mikroskop, kaldet et STM. Dette mikroskop har en fantastisk forstørrelsesgrad, der gør det muligt at se de enkelte atomer og molekyler på overfladen af materialer (eksempler på STM billeder og såkaldte STM film, hvor man direkte kan se, hvorledes atomer og molekyler bevæger sig på en overflade kan ses på hjemmesiden www.inano.dk/stm).

Da det i begyndelsen af 90'erne blev demonstreret, at det med et STM er muligt at tage enkelte atomer og placere dem hvor og hvornår man ønsker det, og derved f. eks. skrive nanometer store bogstaver på en overflade, åbnedes mange forskeres øjne for nanoteknologiens fantastiske muligheder. Man kunne umiddelbart få den tanke, at STM'et kunne bruges til at realisere science-fiction visionerne fra film og bøger om at bygge nanomaskiner og nanorobotter ved at samle enkelte atomer og molekyler. Det er imidlertid ikke tilfældet, for skønt STM er et enestående forskningsinstrument, er det ikke anvendeligt til generel produktion; dertil er processen alt for langsom.

Naturen organiserer sig selv

Inspiration til, hvordan man kan udvikle metoder til storskala-produktion af nanostrukturer kan hentes fra biologien. Naturen har gennem årtusinder udviklet sin helt egen nanoteknologi og levende celler er i virkeligheden sofistikerede "nanofabrikker". De er "selvorganiserende", idet de er samlet ved at et meget sort antal molekyler genkender hinandens form og udnytter retningsbestemte bindingskræfter til at danne en organiseret struktur.

Reguleret af en avanceret signalsystem varetager disse selvorganiserede nanofabrikker automatisk den fremstilling, transport og destruktion af molekyler, som foregår hele tiden i biologiske systemer. Selvorganisering spiller således en afgørende rolle for levende organismers funktion og deres reproduktion. Udfordringen for os består i at etablere sammenhænge mellem form og struktur, forstå hvorledes selvorganiseringen foregår samt at udnytte denne viden til at skabe nye nanostrukturer og nanomaskiner med ønskede egenskaber.

Nanoteknologi er fysik, kemi, molekylærbiologi og biolog i skøn forening Nanoteknologi refererer ikke til et snævert fagligt afgrænset område. Tværtimod forsvinder grænserne mellem de klassiske naturvidenskaber fysik, kemi, molekylærbiologi, biologi og medicin på det atomare og molekylære niveau.

Nanoteknologi udspiller sig i en verden, som rent størrelsesmæssigt befinder sig i grænselandet mellem atomer/molekyler og hele celler, og hvor udfordringen er at forstå og styre opbygningen af strukturer og "maskiner" med størrelser i området fra 0,1 til 500 nanometer. Et bredt tværfagligt samarbejde mellem forskerne fra de forskellige naturvidenskabelige discipliner er helt afgørende, hvis visionerne for nanoteknologien skal realiseres.

Kræftbekæmpelse

Jeg vil i det følgende forsøge at give nogle bud på, hvordan nanoteknologien vil påvirke samfundet i år 2022. Nanopartikler bekæmper kræftceller. Måske er det indenfor sundhedssektoren, at nanoteknologi i år 2022 vil have ført til de mest overraskende og vidtrækkende landvindinger. Det vil være muligt at dosere lægemidler fra små "intelligente" nanobeholdere, præcist på de ønskede steder i kroppen. Den nanoteknologiske medicinske behandling bliver derved mere målrettet og de uønskede og ofte ganske alvorlige bivirkninger vi kender i dag vil blive reduceret meget betydeligt.

Ved en simpel indsprøjtning vil millioner af nanobeholdere kunne frigøres i patientens blodåre. På overfladen af syge celler, som f. eks. kræftceller, sidder der signalmolekyler, der fortæller nanobeholderne, at dette er en kræftcelle. Gennem 20 års intensiv forskning er vi blevet i stand til at designe nanobeholderne således, at de finder vej til og trænger ind i kræftcellen, hvor de frigiver aktive molekyler f.eks. enzymer, der efterfølgende vil starte en automatisk ødelæggelse af kræftcellerne.

Man ville således i år 2022 have fået et særdeles vigtigt nyt redskab i cancerterapien, til glæde for mange patienter. I år 2022 vil en lang række medicinske målinger kunne foretages med en vifte af biologiske sensorer placeret på en billig chip. Denne lab-on-a-chip kan erstatte et helt analyselaboratorium og den praktiserende læge vil da simpelt, hurtigt og uden at skulle sende blodprøver til laboratorieanalyse, kunne stille præcise diagnoser for et bredt spektrum af sygdomme. Ved hjælp af nanoteknologi vil nye biokompatible materialer til f.eks. hofte- og rygimplantater samt kunstige hjerter blive udviklet. Dette vil medfører forøget livskvalitet for den store, og voksende, ældre befolkningsgruppe, der lider af sygdomme i bevægeapparatet samt hjertekarsygdomme.

Atomer som legoklodser

Et stofs egenskab er afhængig af den måde, hvorpå de atomare byggeklodser er sat sammen. Et eksempel er grundstoffet kulstof, hvor atomerne i én form danner diamant, et af verdens hårdeste materialer, mens de i en anden form danner grafit, der er et smøremiddel og bruges i blyanter. En tredje form af kulstof er de nyudviklede nanorør, der har form som sammenrullede rør af "hønsenet", med en diameter på ned til ca. 1 nanometer.

Vi vil i år 2022 have lært at fremstille disse nanorør i store mængder og ved at kontrollere den måde hvorpå kulstofatomernes sammensættes i nanorørene, kan vi kontrolere nanorørenes specifikke elektriske egenskaber. Som f.eks. ledninger eller transistorer vil nanorørene være vigtige elementer i opbygningen af en række nye elektroniske komponenter, og i år 2022 vil alle flade computerskærme måske med fordel være opbygget af kulstofnanorør.

Vi vil i år 2022 være i stand til at styre opbygningen af materialer atom for atom og vil derved kunne designe og fremstille nye materialer med forbedrede elektriske, mekaniske eller magnetiske egenskaber. Nanoteknologi vil således føre til mere rationelle, ressourcebesparende og mere miljøvenlige, produktionsformer. Som eksempler vil nye materialer, der er stærkere end stål, men med meget mindre vægt blive udviklet. Materialer med forbedrede korrosions- og slitageegenskaber vil ligeledes fremkomme, hvilket oplagt vil medføre enorme besparelser for produktionsvirksomheder indenfor blandt andet metal og plast områderne.

En anden type nanomaterialer er de såkaldte katalysatorer, der er helt afgørende inden for miljø- og energiområdet. Nanoteknologien vil medvirke til at udvikle nye kraftigt forbedrede katalysatorer, der fjerner uønskede gasser fra f.eks. biler og kraftvarmeværker.

I år 2022 vil vi stå midt i en proces, hvor vi gradvist er ved at overgå fra et samfund baseret på afbrænding af kul og olie, til det forureningsfri brintsamfund. Vi har udviklet katalysatorer så vi ved hjælp af sollys billigt og effektivt kan spalte vand til brint og ilt, vi har lært hvorledes brint kan lagres i nanostrukturerede materialer der virker som transportable brintbatterier, og vi er i stand til decentralt at omdanne brinten til elektricitet i brændselsceller der ved hjælp af nyudviklede nanoteknologiske katode- og anodematerialer har fået større effektivitet og levetid.

Nanoelektronik

De imponerende fremskridt mikroelektronikindustrien har opnået gennem de sidste mange år kender alle, der af og til udskifter deres PC. Disse fremskridt er hidtil opnået ved at formindske de enkelte elektroniske kredsløb på computerchipsene og vi nærmer os nu en situation hvor vi går fra mikro- til nanoelektronik. Omkring år 2015 vil vi nå en fundamental fysisk grænse, kaldet "The end of the Silicon road", hvor kredsløbselementerne ikke kan formindskes yderligere med den nuværende teknologi.

I år 2022 vil vi være nået langt med helt eller delvist at erstatte de nuværende kredsløbselementer med specifikke organiske molekyler designet til at have specielle elektriske egenskaber - og man vil tale om molekylær elektronik. Disse molekylære kredsløb vil blive skabt ved at få molekyler, fremstillet via kemiske metoder, til at samle sig efter de samme principper for selvorganisering, som skaber naturens egne nanomaskiner i de levende celler. Dette kan ske ved at elektrisk aktive molekyler vedhæftes korte DNA strenge der ved DNA base-parring kan benyttes til at selvorganisere komplicerede elektroniske nanonetværk. I år 2022 vil den molekylære elektronik betyde, at computere vil blive endnu hurtigere og kraftigere, og vi vil med de små håndholdte computere hvor som helst og når som helst vær koblet på internettet.

Uddannelse og forskning

Hvis vi skal realisere ovennævnte visioner inden år 2022 er det vigtigt allerede nu at uddanne en ny generation af naturvidenskabelige kandidater, der har en bred tværfaglig kompetence inden for fysik, kemi, molekylær biologi og biologi. På dette område er Danmark i front og med til at sætte dagsordenen internationalt.

Det bør dog understreges at en altafgørende forudsætning for dansk succes er en massiv forskningsmæssig satsning over en langstrakt periode, hvorfor det haster meget med at få afsat betydelige økonomiske ressourcer til en national strategi på området. Vi har ikke råd til at lade være hvis Danmark skal med på nanotoget - det kører nu!.