Hva er nanoteknologi?

Definisjon

Nanoteknologi er et begrep som først ble brukt av Norio Taniguchi for å beskrive prosesser innen halv-leder industrien. Nanoteknologi vokste fort ut av denne snevre definisjonen og er i dag et meget bredt forskningsfelt. En mer passende definisjon er derfor; “nanotechnology is the creation of functional materials, devices, and systems through control and manipulation of matter on the nanometer length scale (1-100 nanometers)”[1].

Historie

Selv om nanoteknologi er et relativt moderne konsept, har mennesker benyttet seg av nanomaterialer opp gjennom historien. Den kan eksemplifiseres ved[1]:

Kunnskap om hva som skjer på nanoskala er på den andre siden en nyere oppdagelse. Dette ble muliggjort av høyoppløsnings analyse teknikker. Disse teknikken har ikke bare gjort det mulig å se tilbake på nanomaterialer brukt tidligere, men har vært essensielt for å syntetisere og designe nye materialer.

Egenskaper

Hovedgrunnen til at det i dag allokeres mye tid og ressurser til nanoteknologi er de unike egenskapene som oppstår når dimensjoner blir brakt ned på nanoskala. Termiske, optiske, mekaniske, og elektroniske egenskaper blir alle påvirket av størrelsesreduksjon. Mange av disse endringene kan kobles til den store økningen i fraksjon overflate atomer. Dette gjør at egenskapene som overflaten innehar vil få betraktelig større innvirkning på egenskapene materialet har som helhet.

Termiske egenskaper

Termisk konduktivitet er materialers evne til å lede varme. Den generelle trenden for termisk konduktivitet er at større uorden i strukturen vil føre til lavere termisk konduktivitet. For polykrystalinske materialer betyr dette at mindre korn størrelse burde gi lavere termisk konduktivitet, og denne trenden følges inntil nano størrelser nås. Nano dimensjoner gir det spesielle tilfelle der kornstørrelse og midlere fri veilengde til gittervibrasjoner er i samme størrelse orden. Dette gir nanomaterialer spesielle termiske egenskaper sammenlignet med materialer med større korn størrelse[1].

Optiske og elektroniske egenskaper

Nanomaterialer viser optiske og elektroniske egenskaper som i mange tilfeller kan varieres ved å endre størrelse. I halvledere kan båndgapet varieres ved å endre partikkel størrelse, som i sin tur gir opphav til forskjellige farger. Det er også mulig å endre båndstrukturen til mange nanomaterialer ved tilføre strøm eller påsette et elektrisk felt. Begge disse effektene kan utnyttes i for eksempel biosensorer. Nanomaterialer har også andre interessante optiske egenskaper som oppstår på grunn av quantum confinement, hvordan ladning overføres på nanoskala og den økende effekten av grensesnitt[1].

Mekaniske egenskaper

Nanomaterialer har også vakt oppsikt for sine mekaniske egenskaper. Store variasjoner i strekkstyrke, siging, utmatting, hardhet og deformasjons mekanismer er å finne når bulk materialer og nanomaterialer sammenlignes. Nanomaterialer, sammenlignet med konvensjonelle materialer, har vist seg å ha Youngs modulus 30$\%$-50$\%$ høyere, hardhet opptil syv ganger høyere og har signifikant forbedring av strekk/kompresjons styrke. Youngs modulus er et mål på stivheten til et material[1].