Hur håller man sig helt ren? (En av flera nanotekniska frågor)

I veckan deltog jag i en kurs om nanoteknik på Vetenskapens hus. Höll i kursen gjorde Deb Newberry från Nano-link.

Bilden ovan föreställer grafen, kanske det nanomaterial som flest känner till. Grafen är som en tunn, tunn flaga av materialet grafit. Grafit och grafen är kol i en viss form. Grafit används till exempel i blyertspennor. Grafit är uppbyggt av många lager grafen på varandra.

Nobelpristagarna som först tillverkade grafen delade en bit grafit genom att dra bort tunna lager med tejp. Till slut lyckades när de lyckades få det så "nanotunt" så att det blev det nya ämnet grafen, ett enda atomskikt av grafit. De upptäckte praktiska egenskaper hos det tunna, genomskinliga materialet, till exempel att det ledde ström bra och var mycket starkt. En sorts atomslöjd. Eller ingenjörskonst på atomnivå. Nanoteknik sysslar på ingenjörskonst i en skala av 1-100 nanometer.

Är inte allt material nanoteknik eftersom allt består av atomer om man förstorar upp det? Reaktioner sker ju mellan molekyler och atomer i kemi, det är inget nytt....Men grejen är att samma material beter sig annorlunda beroende på hur det är sammansatt på molekylnivå. Ett exempel från naturen är grafit och diamant som är uppbyggt av kol men på olika sätt.

Rob Lavinsky, iRocks.com – CC-BY-SA-3.0 [CC-BY-SA-3.0 (http://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0)], via Wikimedia Commons

Ett annat exempel från naturen är kalciumkarbonat, materialet i mineralet krita som jag bloggade om för ett par veckor sedan. Det är ju ett mjukt material men kalciumkarbonat kan bygger också upp pärlemor som är ett mycket hårt material. Molekylerna är då arrangerade på ett annat sätt.

By N yotarou (N yotarou) [GFDL (http://www.gnu.org/copyleft/fdl.html), CC-BY-SA-3.0 (http://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0/) or CC-BY-2.5 (http://creativecommons.org/licenses/by/2.5)], via Wikimedia Commons

Ett gammalt exempel på nanoteknik är att för flera 100 år sedan malde man guld till mer eller mindre fint damm som man blandade i glas. Olika storlek på guldpartiklarna gav olika färg.

By Schtone (Own work) [CC-BY-SA-3.0 (http://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0) or GFDL (http://www.gnu.org/copyleft/fdl.html)], via Wikimedia Commons

By Aleksandar Kondinski (kondinski.webs.com) [GFDL (http://www.gnu.org/copyleft/fdl.html) or CC-BY-SA-3.0-2.5-2.0-1.0 (http://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0)], via Wikimedia Commons

Ett nyare exempel på nanoteknik med guld är att guldpartiklar av nanostorlek kan användas för att transportera biologiska molekyler till celler. Det i sin tur kan vara användbart för att känna igen cancerceller eller för att leverera medicin enbart specifikt till vissa celler i kroppen.

Nanosilver har blivit populärt i sportkläder som bakteriedödare. Dock finns det kanske miljö - och hälsorisker med det.

Genom att finfördela ett material kan man öka dess yta i förhållande till volym. Kontaktyta är viktig för att en kemisk reaktion ska kunna ske effektivt.

Eget foto

Jag funderar just nu på skoj här hemma, eftersom jag dricker en kopp kaffe samtidigt som jag bloggar, om man skulle kunna mala en enda kaffeböna till partiklar av nanostorlek och sedan täcka ett specialkaffefilter med dessa partiklar. Skulle det räcka med en enda kaffeböna för en kanna kaffe då? På kursen räknade vi på till exempel hur stor ytan skulle man kunna täcka med vattenmolekylerna från en enda vattendroppe. Hur mycket yta tror du att det blev?

Naturen har fått fram fantastiska material som är vatten och smutsavvisande och dessa intresserar sig nanotekniken för att efterlikna. Lotusblommans yta har studerats till exempel, varför håller den sig så ren? Kan vi konstruera material som är lika bra för kläder och parasoll?

By T.Voekler (Own work) [CC-BY-SA-3.0 (http://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0)], via Wikimedia Commons

By William Thielicke  (own work, Hamburg, Germany.) [GFDL (http://www.gnu.org/copyleft/fdl.html) or CC-BY-SA-3.0-2.5-2.0-1.0 (http://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0)], via Wikimedia Commons

På kursen experimenterade vi med vattenavvisande sand. Denna sand kan tillverkas genom att behandla sand med impregneringsspray och sätta den i låg ugnsvärme tre gånger. Impregneringsspray innehåller trimetylsilanol (bilden nedan) som sätter sig på sandkornen och ger den hydrofobiska ytan. I den vattenavvisande sanden kan sedan "smuts", till exempel svartpepparkorn blandas. Sedan är det intressant att se hur vattendroppar liksom rullar av ytan och  tar "smutsen" med sig.

I mindre skala är det viktigt att ta hänsyn till de krafter som är viktigast just i den skalan. Vätska beter sig på ett sätt i en vattenslang när trädgården vattnas. När vi förminskar slangens diameter kommer krafterna mellan vattenmolekylerna och slangens väggar att få en större betydelse och vattnet beter sig på ett annat sätt. Nedan en bild från kursen när vi studerade vattentransport i mindre skala. Vi kunde observera att det grönfärgade och rödfärgade vattnet inte blandar sig när det möts i transportsystemet utan håller sig utefter varsin vägg tills att det kommer till utloppet.

Eget foto

Materialet som transportsystemet är gjort av heter PDMS. Det blandas med vatten 10:1 i en petrisskål där kanalerna ritas upp med en slags penna som kallas "puffy pen". Gelen dras bort då den stelnat, läggs på en plastyta och systemet är färdigt att användas.

Kapillärerna, de tunnaste blodkärlen har verkligen liten diameter. Jag brukar säga att de är så tunna att en röd blodcell precis kan ta sig igenom. På kursen fick jag höra att det till och med är så att de röda blodkropparna måste vika ihop sig och sträcka ut sig lite för att passera smidigt.

Vid sjukdomen malaria förtjockas de röda blodcellerna så att deras flexibilitet försämras.

Nanotekniken intresserar sig för att tillverka nanomaterial nerifrån och upp, istället för uppifrån och ned. Hellre än att skulptera fram nanoenheter från ett vanligt material vill man bygga materialet ifrån mycket små byggstenar. På kursen räknade vi på hur lång tid det skulle ta att bygga material en molekyl i taget och kom fram till att det skulle ta extremt lång tid, miljoner år även om ett relativt snabbt sätt att sätta samman molekylerna hittades. I naturen förekommer något som heter self-assembly, vet ej den svenska översättningen. Det är när ett material liksom bygger sig själv spontant utifrån byggstenarna. Basparningen i DNA-molekylen är ett exempel.
På kursen höll vi på med ett annat naturligt förekommande exempel, kristaller.