Nanoteknologia Innovaatioita huomisen hyväksi

Transkriptio

1 Yhteisön tutkimus EUROOPAN KOMISSIO Nanoteknologia Innovaatioita huomisen hyväksi Yleistietoa NANOTEKNOLOGIA JA NANOTIETEET, ÄLYKKÄÄT MONIKÄYTTÖISET MATERIAALIT SEKÄ UUDET TUOTANTOMENETELMÄT JA -LAITTEET

2 Kiinnostaako eurooppalainen tutkimus? RTD info on neljästi vuodessa ilmestyvä julkaisu, joka auttaa pysymään perillä tutkimusalan kehityksestä (tutkimustuloksista ja -ohjelmista, tapahtumista jne.). Julkaisu on saatavilla englannin, ranskan ja saksan kielellä. Julkaisun tai yksittäisen kappaleen voi tilata ilmaiseksi osoitteesta: Euroopan komissio Tutkimuksen pääosasto Tiedotus- ja viestintäyksikkö B-1049 Bryssel Faksi: (+32-2) Sähköposti: Internet: Toimittaja: EUROOPAN KOMISSIO Tutkimuksen pääosasto Linja G Teollisuusteknologia Yksikkö G.4 Nanotieteet ja nanoteknologia Yhteyshenkilöt: Renzo Tomellini, Angela Hullmann Sähköpostit: renzo.tomellini@ec.europa.eu, angela.hullmann@ec.europa.eu Internet:

3 EUROOPAN KOMISSIO Nanoteknologia Innovaatioita huomisen hyväksi Tämä esite juontaa juurensa Saksan opetus- ja tutkimusministeriön (BMBF) rahoittamasta ja Saksan insinööriyhdistyksen teknologiakeskuksen (VDI- TZ) toteuttamasta hankkeesta. Euroopan komissio kiittää BMBF:ää luvasta kääntää tämä julkaisu eri kielille ja tuoda se kaikkien eurooppalaisten saataville. Erityiskiitokset tohtori Rosita Cottonelle (BMBF) ja tohtori Wolfgang Lutherille (VDI-TZ) koordinointiavusta. Käännökset muille kielille saatavilla osoitteesta nanotechnology/ Julkaisija: Euroopan komissio, tutkimuksen pääosasto Tuottaja: Bundesministerium für Bildung und Forschung BMBF, Berliini Koordinointi: Future Technologies Division, VDI Technologiezentrum GmbH, Düsseldorf Kirjoittaja: Tohtori Mathias Schulenburg, Köln Ulkoasu: Suzy Coppens, BergerhofStudios, Köln Tutkimuksen pääosasto 2007 Nanotieteet ja nanoteknologia EUR 21151FI

4 Europe Direct -palvelu auttaa löytämään vastaukset Euroopan unionia koskeviin kysymyksiin Maksuton palvelunumero: OIKEUDELLINEN HUOMAUTUS Euroopan komissio tai kukaan sen nimissä toimiva henkilö ei ole vastuussa jäljempänä esitetyn aineiston myöhemmästä käytöstä. Tässä julkaisussa esitetyt näkemykset ovat kaikilta osin kirjoittajan omia näkemyksiä, eivätkä välttämättä edusta Euroopan komission kantaa. Internetissä on saatavilla myös runsaasti muuta tietoa Euroopan unionista Europa-palvelimen kautta ( Luettelointitiedot ovat julkaisun lopussa. Luxemburg: Euroopan yhteisöjen virallisten julkaisujen toimisto, ISBN Euroopan yhteisöt, 2007 Jäljentäminen sallittua, kunhan lähde mainitaan. Painettu Belgiassa. PAINETTU KLOORIVALKAISEMATTOMALLE PAPERILLE.

5 Esipuhe Nanoteknologia on uusi lähestymistapa, jolla pyritään ymmärtämään ja hallitsemaan aineen ominaisuuksia nanokokoluokassa: yksi nanometri (metrin miljardisosa) vastaa pienen molekyylin läpimittaa. Tällä tasolla aineella on totutusta poikkeavia ja usein hämmästyttäviä ominaisuuksia, ja vakiintuneiden tieteen ja tekniikan alojen rajat hämärtyvät. Tästä johtuu nanoteknologian vahvasti monitieteinen luonne. Nanoteknologiasta sanotaan usein, että sillä on mullistavia ja vallankumouksellisia mahdollisuuksia vaikuttaa teollisiin tuotantoprosesseihin. Nanoteknologia tarjoaa ratkaisuvaihtoehtoja moniin nykyongelmiin, kun käyttöön saadaan entistä pienikokoisempia, kevyempiä, nopeampia ja tehokkaammin toimivia materiaaleja, komponentteja ja järjestelmiä. Tämä avaa uusia mahdollisuuksia luoda hyvinvointia ja työpaikkoja. Nanoteknologialta odotetaan tärkeää panosta myös pyrittäessä vastaamaan maailmanlaajuisiin ja ympäristöä koskeviin haasteisiin, koska se mahdollistaa paremmin käyttötarkoitusta vastaavat tuotteet ja prosessit, säästää luonnonvaroja ja vähentää päästöjä. Maailman nanoteknologiakilvassa edetään tällä hetkellä valtavaa vauhtia. Euroopassa aloitettiin jo 1990-luvun jälkipuoliskolla investoinnit moniin nanotieteen tutkimusohjelmiin. Eurooppaan onkin sen jälkeen pystytty luomaan vahva osaamisperusta. Nyt on varmistettava, että Euroopan teollisuus ja eurooppalainen yhteiskunta hyötyvät tästä osaamisesta uusien tuotteiden ja prosessien kehityksen kautta. Euroopan komissio antoi hiljattain nanoteknologiaa koskevan tiedonannon ( Tavoitteena eurooppalainen nanoteknologiastrategia ). Tiedonannossa esitetään, että nanotieteiden ja nanoteknologian tutkimusta on vauhditettava, mutta muistutetaan myös, että huomioon on lisäksi otettava joukko muita toisiinsa liittyviä tekijöitä: Kansallisia tutkimusohjelmia ja tutkimusinvestointeja on koordinoitava paremmin, jotta Euroopalla olisi kansainvälisesti kilpailukykyisiä tutkimusryhmiä ja infrastruktuureja (osaamiskeskittymiä). Samalla julkisen ja yksityisen sektorin tutkimusorganisaatioiden on tehtävä yhteistyötä, jotta saavutetaan kriittinen massa. Muitakaan kilpailukyvyn osatekijöitä ei saa unohtaa: metrologiaan, sääntelyyn ja teollis- ja tekijänoikeuksiin on kiinnitettävä riittävästi huomiota, jotta syntyisi teollisia innovaatioita ja sitä kautta kilpailuetua niin suuryrityksille kuin pienille ja keskisuurille yrityksillekin. Koulutukseen liittyvät toimenpiteet ovat erittäin tärkeitä. Euroopassa on eritoten varaa parantaa tutkijoiden yrittäjähenkisyyttä ja tuotantoinsinöörien muutosvalmiuksia. Lisäksi aidosti tieteidenvälisen nanoteknologiatutkimuksen aikaansaaminen saattaa edellyttää uusia lähestymistapoja koulutukseen tutkimuksen alalla ja teollisuudessa. Yhteiskunnalliset näkökohdat (kuten yleisötiedotus, terveys- ja ympäristökysymykset sekä riskien arviointi) ovat nekin keskeisiä tekijöitä varmistettaessa, että nanoteknologiaa kehitetään vastuullisesti ja ihmisten odotusten mukaisesti. Yleisön ja sijoittajien luottamus nanoteknologiaan on ratkaisevan tärkeää sen pitkän aikavälin kehityksen ja hedelmällisen soveltamisen kannalta. Tämän esitteen tarkoituksena on kertoa havainnollisesti, mistä nanoteknologiassa on kysymys ja mitä sillä on annettavanaan Euroopan kansalaisille. Nicholas Hartley Virkaatekevä johtaja, teollisuusteknologia Tutkimuksen pääosasto Euroopan komissio

6 Sisältö 3 Esipuhe 4-5 Sisältö Matka nanokosmokseen 6-7 Atomi: vanha idea ja uusi todellisuus 8-13 Nanoteknologiaa luonnossa Välineet ja prosessit Ikkunoita nanokosmokseen Kirjoitusvälineitä Piristysruiskeita tieteelle Materiaalisuunnittelua nanomittakaavassa

7 Nanoteknologia yhteiskunnassa Verkottunut maailma: nanoelektroniikka Nanoteknologia tulevaisuuden arjessa Liikenne Terveys Energia ja ympäristö Nanoteknologia urheilussa ja vapaa-ajanvietossa Visioita Mahdollisuudet ja riskit Lisätietoa 48 Miten tulla nanoteknologian ammattilaiseksi? 49 Yhteystietoja, linkkejä, kirjallisuutta Sanasto 52 Kuvalähteet

8 Matka nanokosmokseen Amedeo Avogadro( ), Torinon yliopiston fysiikan professori. Selvitti ensimmäisenä vesipisaran rakenteen. Atomi: vanha idea ja uusi todellisuus Aineellinen maailmamme muodostuu atomeista. Näin esitti yli vuotta sitten kreikkalainen filosofi Demokritos. Kiitokseksi tästä oivalluksesta nykyajan kreikkalaiset ikuistivat hänen hahmonsa 10 drakman kolikkoon. Kolikko levisi laajalle, mutta lukumääräisesti se paini kovin eri sarjassa atomien kanssa: yksittäisessä vesipisarassa atomeja on noin kappaletta. Pikkuriikkisen atomin läpimitta on vain nanometrin kymmenesosa, ja nanometrikin on vain millimetrin miljoonasosa. Magnesiumatomin läpimitta on samassa suhteessa tennispallon läpimittaan kuin tennispallon läpimitta koko maapallon läpimittaan. Mietipä sitä kun seuraavan kerran otat magnesiumtabletin! Muutama vuosisata myöhemmin roomalainen kirjailija Lucretius kirjoitti runoteoksessaan atomeista seuraavan ajatelman: Maailmankaikkeus koostuu äärettömästä avaruudesta ja äärettömästä määrästä jakamattomia hiukkasia, atomeja, joiden moninaisuus on sekin ääretön.... Atomit poikkeavat toisistaan ainoastaan muotonsa, kokonsa ja painonsa puolesta; ne ovat läpipääsemättömän kovia, muuttumattomia, jaettavuuden ääriraja..." Järkeenkäypää puhetta, joskin tuossa vaiheessa silkkaa spekulointia. Pitkään aikaan asialle ei sitten uhrattukaan sen enempää ajatuksia. Kunnes 1600-luvulla Johannes Kepler, kuuluisa tähtitieteilijä, alkoi pohtia lumihiutaleiden olemusta ja esitti vuonna 1611 näkemyksenään, että säännönmukainen muoto voi ainoastaan johtua yksinkertaisista, yhdenmukaisista rakenneosista. Ajatus atomista alkoi taas saada kaikupohjaa 6 Demokritoksen henki leijuu nanomaailman mittaamattomien mahdollisuuksien yllä.

9 Mineraalien ja kiteiden parissa työskennelleet tutkijat alkoivat pitää atomien olemassaoloa itsestäänselvyytenä. Suoraa näyttöä niiden olemassaolosta saatiin kuitenkin vasta 1912 Münchenin yliopistossa: kuparisulfaattikide hajotti röntgensäteilyä samalla tavalla kuin sateenvarjoissa käytetty materiaali hajotti lyhdystä tulevaa valoa kiteen oli siis koostuttava sateenvarjokankaan kudoksen kaltaiseksi järjestelmälliseksi rakenteeksi järjestyneistä atomeista, jotka yhdessä muistuttivat hedelmätiskille esille pantua appelsiiniröykkiötä. Atomien säännönmukaiselle järjestäytymiselle kiteessä on olemassa yksinkertainen syy. Aine pyrkii mahdollisimman luontevaan olotilaan, ja luontevin m u o t o sille on säännöllinen, järjestelmällinen rakenne. Kulhossa ravistellut pähkinätkin muodostavat säännöllisiä kuvioita atomeille tämä prosessi vain on paljon helpompi. Yksinkertaiset kuviot eivät kuitenkaan aina ole niitä helpoimpia toistaa. Itsejärjestyvyyden voimien ajamana aine maapallolla on miljardien vuosien aikana saanut ällistyttävän monisäikeisiä ja jopa eläviä muotoja. Nykyaikaisilla analyysilaitteilla on saatu näkyviin tällaisia elävän aineen monimutkaisia rakenneosia jopa nanometriluokan mittakaavassa. Lopulta 80-luvulla saatiin kehitettyä laite ns. tunnelointimikroskooppi jolla voidaan paitsi tarkastella kiteen yksittäisiä atomeja, myös siirrellä ja järjestellä niitä uudelleen. (Monet pitivätkin ensimmäisiä näin saatuja kuvia huijauksena). Nyt olivatkin koossa ainekset uuteen radikaaliin tutkimusalaan: nanoteknologiaan. Hampurissa toimivan DESY-tutkimuslaitoksen tutkija Ada Yonath määrittelee kidegrafiikan avulla ribosomien kaltaisten biologisten nanokoneiden rakenteita. Professori Richard Berndt on järjestänyt mangaani-atomit Kielin Christian-Albrechts -yliopiston tunnuksen muotoon. 7

10 Nanoteknologiaa luonnossa Nanoteknologian ammattilaisille elävä luonto on lähellä sydäntä. Luonto on neljän miljardin vuoden aikana löytänyt henkeäsalpaavia ratkaisuja kohtaamiinsa ongelmiin. Hyvin tyypillistä luonnossa on, että rakenne on järjestynyt pienintä yksityiskohtaa myöten aina atomien tasolle saakka. Juuri tähän pyritään myös nanoteknologiassa. Atomit eivät yleensä herätä ihmisissä kovin lämpimiä ajatuksia. Niistä puhuttaessa mieleen tulee lähinnä kuvia tuhoisista räjähdyksistä tai säteilyvaaroista. Nämä mielikuvat liittyvät kuitenkin vain sellaiseen teknologiaan, jossa hyödynnetään atomin ydintä. Nanoteknologiassa taas keskitytään atomin kuoreen, ja liikutaan kokonaisten atomien mittakaavassa. Jotta voisimme vakuuttua siitä, että atomit ovat täysin arkipäiväinen ilmiö ja voivat oikeana yhdistelmänä jopa maistua hyvältä, lähdetään matkalle nanokosmokseen tarkastelemalla ensin niinkin tuttua asiaa kuin juustoa. Mimolette-juusto on Flanderin alueen tuote, jonka salaisuus piilee sen pinnalla olevissa pienen pienissä rei'issä: niissä on asukkeja! Valmistajat ovat huomanneet, että pikku koloissa majailevien punkkien toiminta parantaa Mimolette-juuston aromia. Punkit ovat noin millimetrin kymmenesosan kokoisia. Tietyn tyyppisellä pyyhkäisyelektronimikroskoopilla, ESEM-mikroskoopilla, voidaan nähdä myös nämä elävät punkit. Kuten muutkin eliöt, punkit koostuvat soluista. Solun koko on mikrometriluokkaa. Solussa toimii monimutkainen koneisto. Yhden tärkeän komponentin tässä koneistossa muodostavat ribosomit, jotka tuottavat kaikenlaisia molekyylejä DNA-geeniohjeiston perusteella. Ribosomien kokoluokka on noin 20 nanometriä. Osia ribosomin rakenteesta on nyt pystytty selvittämään yksittäisten atomien tasolle saakka. Tällainen nanobioteknologian tutkimus on jo alkanut kantaa hedelmää, kun on kehitetty uudenlaisia lääkkeitä, jotka pystyvät estämään bakteerien ribosomien toiminnan. 10 nm Matka nanokosmokseen 1 m 10 cm 1 mm 0,1 mm 10 μm 8

11 Lootusilmiö on saanut nimensä tavasta, jolla lootuksenkukka puhdistaa lehtensä. Vesipisaroita koristekrassin lehdellä. Kuva on toteutettu Baselin yliopiston ESEM-pyyhkäisyelektronimikroskoopilla. Lootusilmiötä ja sen sellaista Koristekrassi pitää lehtensä puhtaina ns. lootusilmiön avulla. ESEMpyyhkäisyelektronimikroskoopilla otetussa kuvassa näkyy, miten vesipisarat pysyvät irti lehden pinnasta. Tämä johtuu lehtien samettimaisesta pinnasta, jonka ansiosta vesipisarat valuvat nopeasti pois lehdeltä vieden mukanaan lehden pinnalta mahdollisen lian. Lootusilmiötä on tutkittu mittavasti Bonnin yliopistossa professori Barthlottin ja hänen työryhmänsä toimesta, ja sitä käytetään jo monissa tuotteissa, kuten julkisivumaaleissa, joilla maalatuilta pinnoilta vesi vie pois valuessaan mukanaan myös lian. Samoin lootusilmiötä hyödyntävät kylpyhuonekalusteet on hyvin helppo pitää puhtaina. Kasvien lehdet hyödyntävät myös muun tyyppistä nanoteknologiaa. Useat kasvit ohjaavat vedenjohtojärjestelmäänsä forisomeilla, mikroskooppisen pienillä lihaksilla, jotka avaavat kanavia kasvin hiussuonistossa ja sulkevat niitä tarpeen mukaan kasvin vaurioituessa. Kolme eri Fraunhofer-tutkimuslaitosta ja Giessenin yliopisto yrittävät parhaillaan kehittää teknisiä sovelluksia näille kasvilihaksille. Tavoitteena on kehittää mikroskooppisen pieniä lineaarimoottoreita tai mahdollisesti jopa täydellinen laboratoriomikropiiri (ns. lab-on-a-chip). Atomitason kehittyneimpiin teknologioihin kuuluu fotosynteesiprosessi, joka kokoaa elinvoimaa kaikelle elävälle maapallolla. Prosessi palvelee jokaista yksittäistä atomia. Jos tämä prosessi pystytään toistamaan nanoteknologian avulla, saadaan energiaa rajattomasti. 1 μm 10 m m 50 m m 1 cm 1 m 10 nm 9

12 Nanoteknologiaa luonnossa Matka nanokosmokseen Koppakuoriaiset, kärpäset, hämähäkit ja gekot ovat suostuneet valottamaan tartuntataitojensa salaisuuksia Stuttgartin Max- Planck instituutissa, joka on erikoistunut metallien tutkimukseen. Ne kiinnittyvät alustaan pienillä karvoilla, joiden avulla karvan ja tartuntaalustan välille syntyy ns. van-der-waalsin sidos. Karvat ovat sitä pienempiä ja monilukuisempia, mitä painavampi olio on kyseessä. 10 Nanoteknologiaa katossa: gekko Gekkolisko pystyy kipittämään ylös mitä tahansa seinää pitkin, juoksemaan pää alaspäin katossa ja jopa roikkumaan katosta yhdellä jalalla. Tähän se pystyy oikein arvattu nanoteknologian avulla. Gekon jalkapohja on hyvin hienojen sukaskarvojen peitossa. Näitä taipuisia karvoja on jalkapohjissa suunnaton määrä, ja ne asettuvat alustaan nähden siten, että kunkin karvan ja alustan väliin jää muutaman nanometrin rako. Tämä rako mahdollistaa niin sanotun van-der- Waalsin sidoksen muodostumisen, ja vaikka sidos on itse asiassa hyvin heikko, se riittää kantamaan gekon painon, koska tartuntapisteitä on miljoonia. Sidokset saa helposti rikottua "repäisemällä" hieman samalla tavoin kuin pala teippiä irrotettaisiin seinästä, joten gekko pystyy juoksemaan kattoa pitkin. Materiaalitutkijat kaavailevat jo luovansa synteettisen gekon. Elämässä kiinni Elämää on olemassa, koska sen rakenneosaset pysyvät yhdessä taidokkaiden nanoteknologisten kiinnittymismenetelmien avulla. Tämä käy ilmi, kun tarkastellaan vaikkapa hyttysenpistoa: pistokohta alkaa punottaa, koska pienen pienet verisuonet laajenevat päästääkseen leukosyytti- eli valkosoluparvet paikalle. Pistokohdan solut erittävät feromonia. Feromonipitoisuuden perusteella verisuonten solupinnat ja Lähikuva kärpäsen jalasta. valkosolut vapauttavat tarttuvia molekyylejä, jotka kiinnittymisominaisuuksillaan hidastavat verisuonen seinämässä valkosolujen etenemistä. Kun feromonipitoisuus on suurimmillaan, valkosolut jämähtävät paikoilleen. Tämän jälkeen muut tartuntamolekyylit vetävät ne verisuonen seinämän läpi pistoskohtaan, jossa ne käyvät taistoon bakteereita ja muita tunkeilijoita vastaan. Sama ilmiö pyritään tuottamaan nanoteknologian keinoin; tavoitteena on ohjata solujen liikkeitä hallitusti ulkoapäin (ns. bonding on command). Simpukat sitoutumisen mestarit Sinisimpukka siis sama äyriäinen, jota ravintoloissa keitetään herkuksemme on todellinen taituri luomaan nanoteknologisia sidoksia. Kun simpukka haluaa kiinnittyä kiveen, se raottaa kuortaan, hivuttaa jalkansa kiven pinnalle, kipristää jalkansa imukupin muotoon ja ryöpsäyttää pienten putkien kautta muutaman sarjan tarttuvia pisaroita, misellejä, imukupin sisään jäävään alipainetilaan, jossa ne purskahtavat rikki vapauttaen voimakasta vedessä toimivaa kiinnitysainetta. Aine paisuu välittömästi vaahdoksi, joka toimii pienen tyynyn lailla. Tämän jälkeen simpukka ankkuroituu tälle iskuja vaimentavalle tyynylle joustavien valkuaisainerihmojen (simpukan parran ) avulla, ja voi kellua mukavasti alustallaan virran liikkeistä välittämättä.

13 Simpukka valkuaisainerihmoineen ja jalkoineen. Venuksen kukkakoria pidetään biomineralisaation mestariteoksena. Ensin halkaisijaltaan kolmen nanometrin kokoiset piistä (piidioksidista) koostuvat perusrakenneosaset liittävät sienen solut yhteen ultraohuiksi kerroksiksi. Tämän jälkeen nämä kiertyvät rullalle piipiikeiksi, jotka toimivat punoksen perusosina ja pystyvät kestämään suuria painevaihteluja. Venuksen kukkakori syvänmeren sienieläin, josta haetaan parhaillaan biologista mallia kuituoptiikkaan. Biomineralisaatio Simpukat pystyvät vielä muuhunkin. Niiden helmiäiskuori koostuu lukemattomista pienistä aragoniitiksi yhdistyneistä kalkkikiteistä, jotka itsessään ovat hyvin hauraita. Simpukankuoressa ne kuitenkin kiinnittyvät toisiinsa kestäväksi kuoreksi ruuvimaisilla hyvin joustavilla valkuaisaineilla. Kolmen painoprosentin määrä valkuaisainetta riittää tekemään merikorvan helmiäiskuoresta kolmetuhatta kertaa kovempaa kuin pelkkä kalkkikide. Myös merisiili käyttää tätä tekniikkaa 30-senttisen selkärankansa vahvikkeena pärjätäkseen aaltojen höykytyksessä. Nimensä sieni on saanut kuorensa sisäkehyksen rakenteesta. Se koostuu pienen pienistä piihartsipiikeistä, jotka muodostavat reiällisen, koripunosta muistuttavan kudoksen. Kudoksessa säikeet ovat limittäin sekä kaksiulotteisena verkkona että verkon lävistäjän suuntaisesti. Myyrän poskihampaiden kiilteen kolmiulotteinen biomineraaliverkko suojaa jyrsintäpintaa vaurioilta. Biomineralisaatio voi tuottaa myös äärimmäisen monimutkaisia rakenteita. Pienellä alueella Filippiinien edustalla elää meren pohjassa sienieläin, jota kutsutaan Venuksen kukkakoriksi. Olio muistuttaa käyrää sapelin huotraa, mutta se rakentunut pituusakselinsa ympärille rengasmaisesti. Teknistä biomineralisaatiota: Nanohiukkasilla korjataan hampaita Hampaita saattaa vihloa, jos ne ovat hyvin arkoja kylmälle tai hapokkuudelle. Tämä johtuu yleensä avoimista pienistä kanavista hammaskiilteessä. SusTech-yrityksen valmistamilla kalsiumfosfaatista (apatiitista) ja valkuaisaineista koostuvilla nanohiukkasilla nämä kanavat voidaan sulkea kymmenen kertaa nopeammin kuin perinteisillä apatiittiyhdisteillä. Remineralisoitunut aineskerros käyttäytyy suussa täysin samoin kuin kehon oma hammaskiille. 11

14 Matka nanokosmokseen Piilevän panssarissa joka yläkuvassa muistuttaa Mengerin sientä (ks. s. 21) on optimaalisilla muodoilla saavutettu maksimaalinen vakaus minimaalisella painolla. Lisäksi piilevän panssarissa on kehittynyt valonkeruujärjestelmä todennäköisesti kloroplastia, piilevän fotosynteesijärjestelmää, varten. Nanoteknologiaa luonnossa Eräs ilmiö, jolla on ollut aikoinaan jopa strategista merkitystä, on piilevien biomineralisaatio. Nämä mikroskooppisen pienet eliöt suojaavat itseään piihappokuorella, jonka tärkein ainesosa on piidioksidi (SiO2). Kuten kvartsilasi, joka myös sisältää piidioksidia, piihappokuoret kestävät suhteellisen hyvin monia syövyttäviä happo- ja emäsliuoksia. Tästä syystä niitä haluttaisiin käyttää nanoteknologiassa nanometrikokoisten kiteiden reaktioastioina. Yksi keino luoda nanohiukkasia kemiallisella reaktiolla on rajoittaa reaktion käytettävissä olevaa tilaa: kun sisäinen reaktiomateriaali kuluu loppuun, reaktiossa syntyvät kiteet pysyvät pieninä. Piilevissä on paljon tällaisia pieniä säiliöitä, joita voitaisiin kutsua myös nanoreaktoreiksi. Miten näitä usein visuaalisesti hyvin näyttäviä piilevän kuoria sitten syntyy? Alustavia vihjeitä tästä on jo saatu. Regensburgin yliopiston tutkijat ovat huomanneet, että erään tunnetun proteiiniryhmän, polyamiinien, tietyt proteiinit pystyvät oikealla piihappopitoisuudella tuottamaan kooltaan kontrolloitavissa olevia ( nanometrin suuruisia) nanohiukkasia varsin spontaanisti osana Miksi piilevillä oli aikoinaan "strategista merkitystä"? Vuonna 1867 ruotsalainen Alfred Nobel huomasi, että piilevien fossiilisista jäänteistä muodostunut piimaa absorboi nitroglyseriinin tavalla, joka estää tätä räjähdettä räjähtämästä itsestään. Nobel antoi tälle seokselle nimen dynamiitti. Dynamiitin kaupallinen menestys loi taloudellisen perustan nykypäivän Nobelin palkinnoille. Käärmetähti (Ophiocoma wendtii) on varustettu optisen näkökyvyn kannalta täydellisellä mikrolinssijärjestelmällä. Yllä sen ilmiasu päivällä, alla yöllä. Panssaroitu kuori ja mikrolinssit vakiovarusteena. itsejärjestyvyyden mekanismeja. Yksinkertaisten kasvumallien perusteella näyttäisi siltä, että piilevätkin syntyvät yhtä spontaanisti. Nanoteknologiaa luonnossa: Ophiocoma wendtii, lautasen kokoinen karvainen meritähti, askarrutti mieliä pitkään. Tämä olio, jonka kiekkomaisesta ja haarniskalla suojatusta kehosta ulkonee viisi raajaa, kiiruhtaa suojaan heti mahdollisten vihollisten lähestyessä, vaikka sillä ei näyttäisi olevan lainkaan silmiä. Lopulta silmät kuitenkin löydettiin olion haarniskasta, joka on täynnä pieniä mikrolinssejä, jotka muuttavat koko kuoren yhdeksi monimutkaiseksi silmäksi. Mikä tässä sitten on nanoteknologiaa? Yksittäisten linssien kiderakenne on sellainen, että kalkkikiteen ominainen tapa tuottaa kaksoiskuvaa ei pääse vaikuttamaan hahmottamiseen kysymyksessä on siis kiderakenteen hallinta nanometriluokassa. Lisäksi linssit korjaavat magnesiumin tarkalla annostelulla pallopoikkeamaa värihäiriöiden välttämiseksi. Ophiocoma hyödyntääkin samoja nanoteknologisia korjausilmiöitä, joiden avulla Carl Zeis aikoinaan niitti mainetta. 12

15 Uusien materiaalien tutkimuslaitoksessa (INM) Saarbrückenissa on kehitelty nanohiukkasprosesseja, joilla metallikomponentteihin voidaan painaa kulutuskestäviä hologrammeja väärennösten paljastamiseksi. Tähän ei luonto pysty: keraameja käsitellään nanotuhkalla, jotta niitä voitaisiin käyttää syöpymättömissä hehkusytyttimissä esimerkiksi kaasulämmittimissä. Keraamin johtokyky on säädettävissä, joten erillistä muunninta ei tarvita. Luonnon rajoja kartoittamassa Nanoteknologian perustana on luonto puhtaimmillaan, mutta toisaalta elävän luonnon mahdollisuudet ovat rajalliset: luonto ei esimerkiksi pysty toimimaan keraamien edellyttämissä korkeissa lämpötiloissa tai metallijohtimien välityksellä. Nykyaikaisella teknologialla sen sijaan on laaja valikoima keinotekoisia olosuhteita käytettävissään äärimmäistä puhtautta, kylmyyttä, tyhjiöitä. Tällaisissa olosuhteissa aine voi saada yllättäviä ominaisuuksia. Tällaisia ovat esimerkiksi kvanttiilmiöt, jotka joskus näyttävät olevan räikeästi ristiriidassa arkipäivän luonnonlakien kanssa. Niinpä nanokosmoksen hiukkaset pystyvät tietyissä olosuhteissa käyttäytymään aaltomaisesti: atomi, joka näennäisesti on kiinteä kokonaisuus, voi läpäistä aallon lailla samanaikaisesti kaksi vierekkäistä pientä aukkoa ja tulla taas sen jälkeen yhdeksi. Hiukkaset saavat täysin uusia ominaisuuksia, kun niiden koko lähestyy nanometriä. Metalleista tulee puolijohteita tai eristeitä. Jotkut näkymättömät aineet, kuten kadmium-telluridi (CdTe), loistavat nanokosmoksessa kaikissa sateenkaaren väreissä. Toiset taas muuttavat valoa sähköksi. Hiukkasten koon käydessä nanoskooppisen pieneksi, hiukkasen pinnalla olevien atomien määrä suhteessa sen sisällä olevien atomien määrään kasvaa merkittävästi. Pintaatomeilla on kuitenkin usein erilaisia ominaisuuksia kuin hiukkasen keskellä olevilla, ja yleensä ne ovat myös herkempiä ja alttiimpia erilaisille reaktioille. Esimerkiksi kullasta tulee hyvä katalyytti polttokennoja varten (ks. myös kohta Liikenne ). Lisäksi nanohiukkasia voidaan pinnoittaa erilaisilla aineilla, jolloin tällaisista komposiittihiukkasista muodostuvissa materiaaleissa voidaan yhdistellä erilaisia ominaisuuksia. Yhtenä esimerkkinä voidaan mainita orgaanisella kuorella päällystetyt keraamiset nanohiukkaset. Orgaaninen kuori vähentää veden pintajännitystä, joten tällaisella pinnoitteella voidaan aikaansaada vaikkapa huuruuntumaton kylpyhuonepeili. Kun öljyyn lisätään erityispinnoitettuja magnetiittinanohiukkasia (magnetiitti on yksi raudan oksideista) saadaan liuos, jota voidaan muovailla magneettisesti. Tällaisia rautapitoisia nesteitä käytetään yhä useammissa sovelluksissa, kuten tiivistysaineina pölynimureiden pyörivissä tiivisteissä ja tietokoneen kovalevyn rungossa tai esimerkiksi koneiden ja autojen säädettävissä värähtelynvaimentimissa. Nanoteknologian monimutkaisuuden ei pidä antaa lannistaa. Jo tavallinen omenakin on itse asiassa erittäin monimutkainen täynnä soluja, ribosomeja, DNA:ta. Tämä ei kuitenkaan millään lailla ole haitannut hedelmän suosiota. Hohtavia kadmiun-telluridihiukkasia, väri riippuu ainoastaan hiukkaskoosta. Magnetiittinanohiukkasia öljyssä. Seosta voidaan hallita ja muotoilla magneettisesti. Magnetotactikum bavaricum : Magneettibakteerit pystyvät yhdistämään nanomagnetiittihiukkaset ketjuksi, jolloin niitä voidaan käyttää kompassineulana. 13

16 Välineet ja prosessit Øje for nanouniverset Nanoteknologiaa avaruudessa: Eurooppalaisen Newton-röntgenteleskoopin peilit on kiillotettu keskimäärin 0,4 nanometrin tarkkuuteen, jolloin ne pystyvät havaitsemaan jopa Andromedan tähtisumusta saakka tulevaa röntgensäteilyä. Tiedesensaatio: gammasäteiden ryöppy polttaa kehiä tähtisumupilveen. 14 Mitä tekemistä eurooppalaisella Newtonröntgenteleskoopilla on nanoteknologian kanssa? Se kerää röntgensäteilyä kaukaisista kohteista 58:lla paperikorin kokoisella sisäkkäisellä peilillä, jotka on höyrystämällä päällystetty kultapinnoitteella. Peilien pinnan keskimääräinen epätasaisuus on vain 0,4 nanometriä. Tätä teknologian mestariluomusta oli merkittävällä panoksella kehittämässä saksalainen Carl Zeiss AG. Röntgenspektroskopiassa ja mikroskopiassa käytettävät huipputarkat röntgenpeilit on rakennettu useista sadoista kerroksista, jotka sisältävät kahta eripainoista alkuainetta. Tällaisille peileille asetetaan äärimmäisen tiukat vaatimukset; kerrokset saavat poiketa ideaalimitoista keskimäärin vain atomin halkaisijan murto-osan verran. Tämä tekniikka hallitaan materiaali- ja sädetekniikkaan erikoistuneessa Fraunhofer-instituutissa Dresdenissä. Myös luonto on keksinyt käyttää kerrosteisia peilejä näkyvän valon aallonpituuksilla: yöaikaan liikkuva Euprymna scolopes -kalmari ohjaa valobakteerien tuottamaa valoa alaspäin pienten proteiinipeilien (reflektiinien) avulla niin, että kalmari näyttää sen alapuolella uiskentelevien petokalojen silmissä vilaukselta tähtitaivasta. Tämä esimerkki biologian nanoteknologiasta löydettiin hiljattain Hawaijin yliopistossa. Pyyhkäisysensorit Pyyhkäisysensorit eivät välttämättä kuulosta kovin merkittäviltä ikkunoilta nanokosmokseen, mutta sitä ne kuitenkin ovat. Myönnettiinhän kaikkien pyyhkäisysensorien kantaisän, pyyhkäisytunnelointimikroskoopin, kehittämisestä aikoinaan Nobelin palkintokin. Pyyhkäisyelektronisensoreissa pietsokiteet ohjaavat pyyhkäisypäätä edestakaisin hieman tarkasteltavan objektin, kuten atomikentän, pinnan yläpuolella. Edestakainen liike on erittäin pientä, ja pyyhkäisypään etäisyys atomikentästä on yleensä pienempi kuin atomin läpimitta. Näillä etäisyyksillä alkaa tapahtua: Quantum Corral, tekijänä Don Eigler, IBM. Sisäpuolen aallot kuvastavat elektronin kohtaamisen todennäköisyyttä.

17 Atomiterasseja kaliumbromidikiteen pinnalla. Tältä näyttää myös tavallinen pöytäsuolakide. Piitä lähikuvassa. Atomivoimamikroskoopilla näkyvät myös elektronitiheyttä kuvaavat aaltomaiset kuviot. Sensorin pään uloin atomi emittoi kaksi elektronipilveä, jotka lähtevät tyylipuhtaaseen kiertoliikkeeseen. Kaaviokuva pyyhkäisytunnelointimikroskoopin perinteisestä kärjestä. Atomivoimamikroskooppi: anturipiikin poikkeama välitetään valokennoon lasersäteellä. Kapasitiivisilla sensoreilla voidaan toteuttaa myös mikrosirulla tarvittavia kytkentäprosesseja. joskus havaitaan sähkövirtaa, joskus taas pienen pieniä magneettikenttiä. Tietokoneet tulkitsevat mitatut arvot graafisesti kuvapinnalle luoden sovellettavan mittausperiaatteen mukaan atomitason tai sitäkin tarkemman kuvan. Erityisen hienosäikeistä prosessia käytetään atomivoimamikroskoopissa. Se havaitsee äärimmäisen pieniä voimia, joita atomikentän atomit kohdistavat pyyhkäisypään ulommaiseen atomiin. Tässä prosessissa voidaan nähdä jopa atomien elektronikuoren sisäpuolelle, jolloin päästään aineen perimmäisten salaisuuksien äärelle. Erottelukyvyn voimassaoleva maailmanennätys on Augsburgin yliopistolla. Euprymna scolopes harhauttaa vihollisensa valoa heijastavasta proteiinista koostuvilla monikerrospeileillä. Heijastettava valo on lähtöisin valoa tuottavista bakteereista. Huipputarkoissa röntgenanalyyseissä käytettävä kaareva monikerrospeili. 15

18 Välineet ja prosessit Kirjoitusvälineitä Litografinen prosessi: Mikrosiru on kolmiulotteinen komponentti, jossa kytkentäelementtejä on sijoitettu eri kerroksiin. Nykyaikaisessa huippuluokan mikrosirussa tällaisia kerroksia tarvitaan 25 30, ja jokaiselle kerrokselle tarvitaan oma litografiamaski. Maskin kuvio heijastetaan piikiekolle diaprojektoria muistuttavan valotuslaitteen linssijärjestelmän ja sen tuottaman valon avulla. Jokaisella uudella maskilla lisätään piirilevylle uusia piirikuvioita, jolloin sen rakenne tulee entistä monimutkaisemmaksi. Litografia Tietokonemaailmassa litografialla tarkoitetaan tekniikkaa, jolla tuotetaan mikropiirejä valotuksen avulla. Tässä prosessissa erittäin sileäksi kiillotettu puolijohdealusta, piikiekko, päällystetään valoherkällä suojapinnoitteella, jolle heijastetaan kuva tarvittavasta virtapiiristä. Kun suojapinnoitetta käsitellään kehitteellä, piikiekon valottuneet ja valottumattomat alueet erottuvat toisistaan. Tämän jälkeen valottuneille alueille tuotetaan tarvittavat sähkönjohtavuusominaisuudet esimerkiksi etsauksella, vierasatomien istuttamisella ja ns. kasvatusmenetelmillä. Prosessia toistetaan eri kuvioilla ja piireillä (eli maskeilla), ja tuloksena syntyy yksi kaikkein monimutkaisimmista ihmisen koskaan luomista rakenteista: integroitu piiri (ns. mikrosiru). Tässä tekniikassa viivaleveys on jo saatu niin pieneksi, että lyijykynän kärjen tekemän pisteen kokoiselle alueelle mahtuu yli puoli miljoonaa transistoria. Uusimmissa mikropiireissä on rakenteita, jotka ovat litografiassa käytettävän valon aallonpituuttakin pienempiä: näiden tuottamiseen käytetään krypton-fluoridi-laseria, jonka tuottaman valon aallonpituus on 193 nanometriä. Tällä päästään 130 nanometrin viivaleveyteen ja lähitulevaisuudessa jopa 90 nanometriin, kun käytetään erinäisiä optisia temppuja, kuten optical proximity correction ja phase-shifting. Parhaillaan ollaan luomassa perustaa äärimmäisen tarkalle ultraviolettivalolitografialle (EUVL), jossa käytetään 13 nanometrin aallonpituutta. Tällä tekniikalla piikiekolle on lopulta mahdollista tuottaa rakenteita, joiden viivanleveys on vain 35 nanometriä. Tämä asettaa tietysti valotusmaskina käytettävälle materiaalille valtavia tarkkuusvaatimuksia: jos kymmensenttisen levyn lämpötila nousee yhdellä celsiusasteella, se saa laajeta korkeintaan nanometrin pari kymmenystä, eli muutaman atomin läpimitan verran. Mahdollisen rajamailla liikutaan myös sileysvaatimuksissa, kun poikkeamat saavat olla vain muutaman atomin läpimitan suuruisia. 16

19 Dresdenin nousu elektroniikkakeskukseksi on saksalaisen tutkimuspolitiikan menestystarina. Alueelle on syntynyt noin työpaikkaa, ja sillä on merkittäviä innovaatiovaikutuksia koko Saksan talouteen. Saksan tutkimusministeriön BMBF:n tukemissa hankkeissa 44 teollisuusyritystä, mukaan luettuina 21 keskikokoista yritystä, ja valtion tutkimuslaitosta ovat kehittäneet tulevaisuutta varten standardia läpimitaltaan 300 millimetrin kokoisten piikidekiekkojen käytölle erittäin monimutkaisten integroitujen piirien valmistuksessa. Keskeisessä asemassa on Dresdenin maskiteknologiakeskus, jossa kehitetään tapoja rakentaa tulevaisuuden nanoelektroniikkapiirejä. EUVL-valotuslaitteen prototyyppi seuraavan sukupolven mikropiirien valmistukseen. Nanopainatusta keskisuurille yrityksiller Nanoelektroniikka synnyttää yleensä kuvan kalliista tuotantolaitoksista, jotka edellyttävät miljoonien tai jopa miljardien eurojen investointeja, mutta pystyvät silti valtavien tuotantomäärien ansiosta tuottamaan kohtuuhintaisia tuotteita. Nanomaailmassa on kuitenkin tarjolla myös tuotantotapoja, jotka ovat keskisuurten yritysten ulottuvilla. Nämä menetelmät saattavat ensi näkemältä vaikuttaa vanhanaikaisilta: esimerkiksi UV-nanopainatuksessa nanorakenteet painetaan itse asiassa mekaanisesti pinnoitteeseen, joka peittää johdeainetta, kuten piitä. Hienosäikeisen nanorakenteen sisältävä muotti on tehty kvartsilasista, joka läpäisee ultraviolettivaloa. Kun muotti koskettaa pinnoitemaalia, UV-valoimpulssi polymeroi eli kovettaa valoherkän pinnoitteen muotin kuvion mukaisesti. Tämän jälkeen muotti irrotetaan ja kuvioitunut pinnoite ohennetaan. Kuvion mukaisesti paljastunutta piitä käsitellään sitten tarpeen mukaan; kun prosessia toistetaan riittävän monta kertaa eri muoteilla, saadaan aikaan mikrosirun monisäikeinen rakenne transistoreineen, piireineen jne. Laboratoriokokeissa on jo pystytty luomaan rakenteita, jotka ovat vain 10 nanometrin kokoluokkaa. Prosessi soveltuu paitsi elektroniikkakomponenttien valmistukseen, myös metallien ja muovien rakenteen muokkaamiseen. Prosessi saattaa mahdollistaa myös ns. laboratoriomikropiirit (lab-on-a-chip). Edellä kuvatun nanopainatuskoneen hinnaksi arvioidaan tällä hetkellä alle miljoona euroa, joka on vain murtoosa nykyaikaisessa mikrosirutuotantolaitoksessa käytettävän vastaavan laitteiston hinnasta. UVnanopainatustekniikalla ei kuitenkaan välttämättä pystytä tuottamaan halvempia tuotteita, koska tuotantotahti on paljon hitaampi. Pienissä tuotantoerissä (siis pienissä verrattuna suurten prosessorivalmistajien valtaviin tuotantomääriin) UV-nanopainatuksesta saattaa kuitenkin tulla paras tekninen vaihtoehto. Litografiamaskeissa käytettävä erikoiskeraami zerodur säilyttää muotonsa myös nanokokoluokassa. Painotekniikkaa nanotasolla: Aachenin teknillisen korkeakoulun (RWTH Aachen) puolijohde-elektroniikan laitoksessa (IHT) mekaanisilla/optisilla menetelmillä päästään sirun rakenteissa jo 80 nanometrin viivanleveyksiin. Käyttökohteet: hyvin monimutkaisten piirien lyhyet tuotantosarjat. 17

20 Välineet ja prosessit Piristysruiskeita tieteelle Perinteinen spektrometri rakenteen röntgenanalyysiä varten. Näitä laitteita saamme kiittää paljosta siitä, mitä nykyisin tiedämme nanokosmoksesta. Nopeiden elektronien maanalainen kilparata. Kvantti-ilmiöitä Münchenin Ludwig-Maximilian -yliopistossa on totuttu prosessoimaan ainetta nanoteknologian äärirajoille saakka, jolloin sillä saattaa ilmetä kummallisia ominaisuuksia. Kun esimerkiksi satojatuhansia rubidium-atomeja sisältävää höyryä jäähdytetään asteen miljoonasosan päähän absoluuttisesta nollapisteestä (-273 C) ja pakataan kasaan magneettikentällä, atomit yhdistyvät Bose-Einstein -kondensaatiksi, jossa atomit muodostavat marssivaa sotilasosastoa muistuttavan yhtenäisen kokonaisuuden. Münchenin kvanttifyysikot pystyvät pakottamaan tällaisen kokonaisuuden kolmiulotteiseen lasersäteiden verkostoon ja muokkaamaan sitä esimerkiksi tekemällä lasersäteiden rajaamista kuutionmuotoisista valoansoista niin vahvoja, että kokonaisuus hajoaa Mottkondensaatiksi. Tästä työstä myönnettiin fysiikan Nobel-palkinto vuonna Miksi? Tämän tyyppisellä tutkimustyöllä puhalletaan elämää kvanttiteoriaan, joka on keskeisessä asemassa nanokosmoksen kannalta. Se joka pystyy täysin ymmärtämään ja hallitsemaan kvanttiteorian, voisi esimerkiksi kehittää nykyistä tarkempia aikastandardeja. Tarkempien kellojen avulla taas voitaisiin esimerkiksi nopeuttaa tiedonsiirtoa Internetissä. Tällä näennäisesti salatieteen kaltaisella tutkimusalalla alkaa siis näkyä merkkejä siitä, että alaan panostaminen on kannattanut. XFEL röntgenlaser nanoteknologian soihdunkantaja Jos kaikki sujuu suunnitelmien mukaan, pari miljoonaa elektronia saa vuonna 2012 kokea jotain hyvin jännittävää. Ne aloittavat matkansa Hamburg-Bahrenfeldin DESY-laitokselta, jonka jälkeen ne kiihdytetään hyvin korkealle energiatasolle suprajohtavassa elektronikiihdyttimessä ja ohjataan 3,3 kilometrin matkan jälkeen järjestelmällisesti magneeteilla sivureiteille. Tässä prosessissa syntyy hyvin erikoislaatuista lyhytaaltoista röntgensäteilyä: lasersäteilyä. Tämä on tutkijoiden näkökulmasta kaikkein arvokkainta koskaan aikaansaatua säteilyä. Kertaheitolla saadaan selvitettyä yksittäisen (!) biomolekyylin rakenne. Nykyiset röntgensäteilylähteet edellyttäisivät optimaalisesti toimiakseen rakenteeltaan säännöllisiä biomolekyylikiteitä, jollaisia ei useinkaan ole saatavissa. 18 Mott-kondensaatti eksoottista ainetta ultratarkkaan ajanmääritykseen. Elektronikiihdyttimessä käytettäviä suprajohtavia elementtejä.