Nanovidenskab og nanoteknologi

Publiceret Oktober 2004

Hvad er nanovidenskab? Hvad er nanoteknologi? Præfikset ”nano” stammer fra det græske ord for dværg og henviser således til noget småt. Som præfiks for en enhed tid eller længde betyder det en tusindedel af en miliardte del af den enhed. En nanometer (nm) er altså 0,000 000 001 meter. Prikken over dette ”i” er ca. en million nanometer stort. Naturens byggesten, atomerne og molekylerne, er af dimensioner inden for nanometer skalaen. I en dråbe vand med en diameter på 1 nm kan der være et hav af vandmolekyler, og eksempelvis er DNA-helixen ca. 2 nm bred.

Den måde, hvorpå molekyler samler sig og således danner større supramolekylære systemer på nanoskalaen, er afgørende for vigtige materialeegenskaber (f.eks. elektriske, optiske og mekaniske egenskaber). Vi har længe vidst, at naturen udfører denne samling af byggesten på meget smuk og sofistikeret vis, f.eks. når den danner det molekylære system, som liv er. Kort sagt kan man ved at kontrollere strukturer inden for 1-100 nm principielt designe nye materialer med specifikke egenskaber.

Forskere har længe forestillet sig muligheden for at manipulere med det enkelte molekyle eller atom. Gennem de sidste 20 år er der blevet udviklet en mangfoldighed af instrumenter, under et kaldet scanning probe mikroskoper, som udover at ”vise” de enkelte atomer og molekyler på overflader også gør det muligt at bevæge dem på nanoskala niveau. Vi er altså i en situation, hvor vi atom for atom kan designe nye materialer med de af os ønskede egenskaber.

Nanoteknologi og nanovidenskab

Nanoteknologi er evnen til at operere på det atomare, molekylære og supramolekylære niveau, hvilket svarer til en længdeskala fra 0,1 nm til 500 nm. Målet er at designe og skabe materialer, objekter og systemer, som har hidtil usete fysiske, kemiske og biologiske egenskaber og funktioner på grund af deres struktur på nanometer nivaeu. Selvom den nanoteknologiske indsats endnu mest finder sted på det forskningsmæssige niveau, har udsigten til eventuelle revolutionerende anvendelser medført en stor økonomisk investering i nanovidenskab, idet man her udforsker fundamentale fænomener på nanoskala niveau og derved skaber en vidensbank for den fremtidige nanoteknologi.

Forskning på nanoskalaen er i sig selv ikke noget nyt. Forskere har studeret atomer og molekyler i mere end et århundrede. Nyskabelsen består nærmere i forskernes evne til at karakterisere og syntetisere veldefinerede nano-strukturer med unikke egenskaber. For at få det fulde udbytte af nanovidenskaben og nanoteknologien er det en klar fordel at arbejde sammen i teams, som samler den interdisciplinære ekspertise.

Naturen selv er den mest fuldendte nanoforsker. Eksempelvist vil erfaringen fra biologi i relation til molekylær selvsamling muligvis være af stor betydning for vores design af fremtidens nanoelektronik. iNANO-centerets måske mest markante kompetence er dets videnskabelige bredde, som vil sikre dets favorable position i forhold til at levere konkurrencedygtige resultater og bidrag til feltet. iNANOs interdisciplinære miljø forventes at danne en fortrinlig og frugtbar baggrund for fremtidige, endnu udefinerede, banebrydende opdagelser med interessante perspektiver for danske og internationale industrier.

iNANO’s målsætning

Det Interdisciplinære Nanoscience Center (iNANO) har fostret et omfattende program inden for forskning, uddannelse og udvikling på området nanovidenskab og nanoteknologi. Centret blev officielt indviet i 2002 og er bygget op omkring den internationalt anerkendte scanning probe mikroskopi-gruppe ”Center for Atomic-scale Materials Physics” (www.phys.au.dk/CAMP), ledet af professor Flemming Besenbacher, som også er direktør for iNANO. Centret danner ramme om et hold af verdensførende eksperter inden for fysik, kemi, molekylærbiologi, biologi, ingenørvidenskab og medicin, som samlet udgør et fælles interdisciplinært miljø af international kaliber. Centret er placeret ved Aarhus Universitet, men for nylig etableredes et samarbejde med Aalborg Universitet om nanoteknologi og nanovidenskab. Igangværende iNANO-aktiviteter har desuden deltagelse af større danske industripartnere, lige som samarbejdet med internationale forskningsgrupper og andre nanovidenskabscentre skaber den nødvendige balance for en videnskabelig og uddannelsesmæssig indsats af denne størrelse.

iNANO’s målsætning er at styrke den interdisciplinære forskning i nanovidenskab og nanoteknologi, at igangsætte samarbejder med internationale nanovidenskabsforskningsgrupper og at spille en hovedrolle i uddannelsen af den næste generation af nanovidenskabsforskere på bachelor-, kandidat-, ph.d.- og postdoc-niveau. Derudover er iNANO engageret i skabelsen af en innovativ berøringsflade for overførsel og transformering af den grundlæggende nanovidenskabelige viden til nanoteknologi i dansk industri.

Uddannelsesprogram

Idet nanovidenskab og nanoteknologi overskrider de traditionelle grænser mellem de videnskabelige discipliner er pensummet, som traditionelt tilbydes studerende, blevet skåret til efter nye retningslinier. iNANO-centeret har skabt et nyt uddannelsesprogram, som favner et bredt spektrum af kurser fra introducerebde til avancerede og specialiserede kurser for at give de studerende en tilpas bred vidensbase til at kunne varetage interdisciplinær forskning og samtidig tilegne sig videnskabelig dybde og specialisering på udvalgte områder.

Man forestiller sig, at kandidater og ph.d.ere i nanoteknologi skulle finde beskæftigelse i specielt større virksomheders forskningsafdelinger. Deres uddannelse er bred, specielt i begyndelsen, men indsnævres til sidst mod en bestemt forskningsgruppe, hvor speciale eller ph.d.-projekt udføres. Dermed prøver den studerende også at specialisere sig; en erfaring, der er uundværlig for moderne forskere. Samtidig besidder kandidaten/ph.d.en i nanoteknologi også den grundlæggende viden, der er nødvendig for at være opstillingsparat; en egenskab, der er altafgørende på nutidens og fremtidens hurtigt vekslende arbejdsmarked.

Ud over forskningsopgaver forventes det også, at kandidaten/ph.d.en i nanoteknologi vil være i en stærk position til selv at starte virksomhed. Mod slutningen af kandidatstudiet er indlagt et obligatorisk kursus i innovation og patentering, så disse forhold ikke forekommer fremmede og hæmmende for kandidaten/ph.d.en. Denne tankegang er i øvrigt helt i tråd med regeringens vision om Danmark som et højteknologisk samfund, hvor forskning og udvikling tænkes at være med til at skabe nye virksomheder og arbejdspladser, med gang for hele det danske samfund.

Det naturvidenskabelige Fakultet har givet sin uforbeholdne støtte til uddannelsesprogrammerne, fordi universiteterne i disse år er i færd med en omstillingsproces, der i højere grad end tidligere skal tilrette deres uddannelser efter erhvervslivets behov, igen foranlediget af regeringens højteknologiske drømme. Erhvervslivet har netop udtrykt et stort ønske om medarbejdere med brede kompetencer og omstillingsparathed. Desuden spiller det simple faktum, at samfundet (og fakultet) fattes studerende i naturvidenskab, også en vigtig rolle. Det har vist sig, at de nye studerende i nanoteknologi skal ses som en reel ekstra gevinst for Det naturvidenskabelige Fakultet, dvs. de studerende tages ikke blot fra andre linier på naturvidenskab.

Bachelor- og kandidatuddannelser

I januar 2002 godkendte Ministeriet for Videnskab, teknologi og undervisning den nye nanovidenskabelige uddannelse ved Aarhus Universitet (www.iNANO/master). I efteråret 2002 blev 37 førsteårsstuderende indskrevet på uddannelsen, i 2003 var antallet steget til 45 og i 2004 til 66! Nanoteknologi er dermed blandt de største fag på Det naturvidenskabelige Fakultet og interessen ser ikke ud til at være toppet endnu. Bachelor-programmet dækker de grundlæggende discipliner inden for fysik, kemi, biologi og matematik og inkluderer individuelle og gruppeprojekter i højere grad end på de konventionelle naturvidenskabelige uddannelser. Kandidatstuderende deltager i mere specialiserede kurser og projekter med relevans for deres efterfølgende specialearbejde. For yderligere at udvide kapaciteten er iNANO, i samarbejde med Ingeniørhøjskolen i Aarhus, i færd med at etablere et nyt uddannelsesprogram for nano-ingenører. Endvidere har Aalborg Universitet iværksat et bachelor-/kandidatprogram i nanoteknologi og ingeniørvidenskab, som er koordineret med de uddannelsesmæssige aktiviteter i Aarhus.

Ph.d.-uddannelse i iNANOschool

I december 2002 modtog iNANO et større beløb fra Forskeruddannelsesrådet til etablering af ph.d.-forskerskolen ”iNANOschool”” (www.iNANOschool.dk), med en kapacitet på 80 ph.d.-studerende. Bevillingen udløste endvidere midler fra hhv. Det Naturvidenskabelige og Det Sundhedsvidenskabelige Fakultet, Århus Kommune og syv nationale og internationale firmaer. Resultatet af de sidstnævnte bevillinger var en tredobling af de oprindelige midler fra Forskeruddannelserådet og muliggør yderligere uddelinger af ph.d.-stipendier. For øjeblikket er omkring 70 ph.d.-studerende indskrevet ved iNANOschool.

Kontakt til industri, vidensdeling og internationale relationer

Et vigtigt element i iNANO er vekselvirkningen med danske og udenlandske firmaer. Bestyrelsen i iNANO består bl.a. af repræsentanter fra firmaer med interesse og ekspertise inden for nanoteknologi (Grundfos, Danfoss, Danisco, NanoNord, Haldor Topsøe).

Udover det omfattende netværk med internationale samarbejdspartnere inden for specifikke forskningsområder har iNANO også tætte kontakter og relationer til førende nanovidenskabscentre i Europa, USA og Japan. Et omdrejningspunkt for dette netværk er uddannelsen af studerende gennem udvekslingsprogrammer. Den omfattende vekselvirkning med andre europæiske lande danner således også baggrund for iNANO’s deltagelse i et stort antal projektansøgninger til EU’s 6. Rammeprogram.

Forskningsområder

iNANO-forskningscentret udgør et stort konglomerat og består p.t. af mere end 50 forskere fra forskellige områder. Forskningen i iNANO-regi foregår inden for nednestående seks satningsområder:

Bio-nanoteknologi

Naturen selv er en uudtømmelig kilde af nanoprocesser og avanceret nanomaskineri. Forståelsen af biologiske makromolekylers funktion- og strukturrelationer og evnen til at skabe passende manipulationer danner grundlaget for bio-nanoteknologi. Forskerne ved iNANO arbejder Inden for dette område p.t. på emner som:

  • Biosensorer og standardændringer af biomolekyler
  • Struktur og funktion af biomolekyler (for et case study, se næste afsnit)
  • Nanomotorer

Nanomedicin

Viden om cellernes kommunikationmetoder danne grundlag for produktionen af nano-objekter, som er i stand til at bevæge sig rundt i det menneskelige kredsløb, hvor de identificerer syge celler og enten reparerer deres defekter ved intracellular operation eller destruerer cellen fuldstændigt. Ved iNANO forskes der specielt i:

  • Nanopartikler der doserer medicin på kontrollerede steder
  • Membranproteiner som behandlingsmæssige mål
  • Biokompatibilitet
  • Nanostrukturer i oftalmologi

Molekylære nanostrukturer

Molekylær nano-strukturer, med designede specifikke materialeegenskaber er hovedelementet i de nanoteknologiske felter som molekylær elektronik, overfladefunktionalisering og biokemiske nanosensorer. Sådanne forskningsområder inkluderer:

  • Molekylær selvsamling og overfladefunktionalisering
  • Molekylær elektronik

Funktionelle nanomaterialer

Materialer som består af nanostørrelse strukturer besidde hidtil uopdagede fysiske, kemiske og biologiske egenskaber, som kan udnyttes til at skabe specifikke funktioner, der ikke kan opnås med konventionelle materialer. Vores rådighed over sådanne funktionelle nanomaterialer vil givetvis revolutionere industriens fremstillingsmuligheder og kapacitet i højere grad end man kan forestille sig. iNANO’s forskning fokuserer på:

  • Nanokrystaller i silicium-baserede halvledere
  • Nanokrystallinske materialer
  • Termoelektriske materialer
  • Nanomagneter
  • Nano-fotonik

Nano-katalyse

For at udvikle nye energieffektive processer for industrien er forståelsen for den kemiske reaktivitet af nanometer-store partikler og klynger af altafgørende betydning. Kemiske reaktioner via nanopartikler benyttes i heterogen katalyse og er betydeligt anderledes end deres makroskopiske sidestykker. Der findes endnu ingen generel forklaring på nanonopartiklernes reaktivitet, men STM-forskningen ved iNANO vedrørende nanokatalyse har ført til uventede fremskridt i forståelsen af katalysatorernes reaktivitet.

Langsigtet og bredspektret nanovidenskab

Forskningsmæssigt udspringer nanovidenskabens eksplosive fremgang i høj grad fra udviklingen af eksperimentelle og teoretiske værktøjer, som tillader os at udforske fænomener, som foregår på nanoskalaen. I samme ånd mener vi, at udviklingen af nye værktøjer, der komplementerer og udvider de eksisterende metoder, vil medvirke betydeligt til udviklingen af fremtidens nanoteknologi. Derfor undersøger vi ved iNANO også nye eksperimentelle og teoretiske metoder, som vil udvide det eksisterende repetoire.