Nanoskogen i Lund
Nästa teknikrevolution kommer att ske i det lilla. Små osynliga spetsar med mössor av guld odlas fram i laboratoriet hos Nanometerkonsortiet vid Lunds Universitet.
De små piggarna som kallas nanotrådar, har stora möjligheter att bli en del av den revolutionen.
De ska bli lysdioder som kan ersätta världens glödlampor, solceller som kan ge ren energi i framtiden, snabbare och rymligare datorminnen, eller medicinska analysinstrument med en känslighet som vida överstiger dagens bästa och mycket, mycket mer.
På Lars Samuelsons laboratorium i Lund odlas världens minsta trådar. Atom för atom växer nanotrådarna fram under sina guldmössor. Trådar som kan förvandla vardagen för de flesta av oss.
Nanoteknik är en av forskningens viktiga frontlinjer idag, och där arbetar en av de få svenska forskargrupper som är med och leder världsutvecklingen på sitt område.
Traditionell halvledarteknik, med elektroniska kretsar som etsas fram ur tunna kiselskikt har förbättrats enormt under de senaste decennierna.
Mönster som är många gånger tunnare än spindelväv mejslas fram ur materialet, och dagens integrerade kretsar rymmer miljoner transistorer per kvadratmillimeter.
Kapaciteten hos datorer har ökat enligt det som kallas Moore’s lag – en fördubbling ungefär vartannat år.
Men nu börjar de slå i taket för vad som är möjligt att driva längre.
Nästa steg blir av allt att döma något slag av nanoteknik, där man inte skulpterar fram de mikroskopiska strukturerna ur ett stycke material, utan istället bygger dem från grunden, atom för atom.
Halvledare i form av nanotrådar är en av de hetaste kandidaterna för att ta över utvecklingen, och Lund i Sverige har ett av de forskningscentra som kommit längst med att utforska den här världen.
Mannen bakom framgångarna är Lars Samuelson, professor i halvledarfysik sedan 80-talet, först på Chalmers, och sedan i Lund.
På Nanometerkonsortiet har han samlat ett 30-tal forskare som arbetar över ett brett fält, både med ren grundforskning och med tillämpningar av den nya tekniken.
Det började i Japan.
Lars Samuelson gjorde under 1995 ett besök hos en kollega på Hitachi, Kenji Himura. Han hade lyckats få supertunna trådar, eller ”whiskers” (morrhår) som de också kallas, av halvledarmaterialet galliumarsenid att växa fram med hjälp av små punkter av guld som startpunkt, eller katalysator.
Redan då framstod det här som en möjlig ny utveckling för elektroniska komponenter.
– Jag visste att vi hade tekniken att göra samma sak, fast bättre, säger Lars Samuelson. Vi skulle kunna få fram nanotrådar med samma tunna diameter, men vi kunde få fram dem på jämna avstånd, och i perfekta rader. Och i och med det förstod jag att det skulle gå att utveckla aktiva elektroniska komponenter.
En förutsättning för att nanotrådarna skulle kunna bli utvecklas på allvar krävde också att det blev möjligt att kombinera olika ämnen i en enda tråd, med tydliga gränser mellan skikten.
I så fall förvandlas – enkelt uttryckt – de diminutiva trådarna till perfekta elektroniska komponenter, där elektroner och fotoner rör sig i en enda styrbar dimension.
Det tog några år innan arbetet drog igång på allvar, men snart kom resultaten.
Nanotrådar fick ett bullrande genombrott på den internationella vetenskapsscenen år 2002.
Under loppet av några februariveckor publicerades tre stycken artiklar i internationella tidskrifter, där tre olika forskargrupper visade att de klarade av att kombinera flera olika ämnen i samma nanotråd.
Först ut var Samuelsons grupp tillsammans med kina-amerikanen Peidong Yang vid Berkeley-universitetet med var sin artikel i tidskriften Nano Letters.
Två veckor senare publicerade prestigefyllda Nature en liknande artikel av Charles Lieber på Harvard.
– Nature hade faktiskt tackat nej till vår artikel några månader tidigare. Jag tror de ångrade sig sen, säger Lars Samuelson.
Forskningen kring nanotrådar fick en kickstart, och har fått en formidabel tillväxt sedan dess, men det är fortfarande grupperna vid Harvard, Berkeley och Lund som dominerar fältet.
– Det som skiljer oss är att de är kemister i grunden, och vi kommer från fysiken, säger Lars Samuelson. Det gör att vi arbetar på lite olika sätt.
Yang i Berkeley arbetar till exempel en hel del med nanotrådar i medicinska tillämpningar. Hans grupp har bland annat byggt former av trådar för stamceller att växa i. Formerna ska hjälpa cellerna att överleva bättre, och att bilda nya organ.
Charles Liebers forskningsgrupp vid Harvard sysslar bland mycket annat med möjligheten att fläta samman nanotrådar till elektroniska system, eller att skapa biologiska sensorer, som kan upptäcka olika ämnen i ett medicinskt prov.
I Lund har Samuelson och hans kolleger arbetat med att utforska de rent kvantfysikaliska egenskaperna hos de magiska trådarna. Något som är nödvändigt för att framgångsrikt kunna stoppa in dem i fungerande apparater.
Det är en värld där transistorer styrs av en enda elektron, partiklar som ”tunnlar” igenom energibarriärer som inte är möjliga att passera enligt vardagens fysiska lagar.
I nanotrådarna kan elektroner placeras på de energinivåer, som motsvarar elektronskalen hos olika grundämnen – ett fenomen som går under namnet artificiella atomer.
En variant är också att omge trådarna med ett tunt skikt av ett isolerande ämne, och koppla den till en styrmodul av metall.
Då fungerar den som en normal transistor, fast tvärtom, som Lars Samuelson uttrycker saken.
Ett annat delområde som undersökts är olika sätt att få nanotrådar att växa med en exakt förutbestämd kristallstruktur, och hur de mönstren kan variera i en och samma tråd, utan störningar i elektronflödet.
Det här arbetet har lett till att Nanometerkonsortiet fått uppdraget att samordna ett EU-projekt på etthundramiljoner kronor för att elektroniken ska kunna fortsätta att krympa under de kommande decennierna. Projektet kallas NODE, och där ingår inte bara andra universitet, utan också industrijättar som Philips och IBM.
– Det är klart det är en fjäder i hatten att få ett sådant uppdrag, säger Lars Samuelson. Men samtidigt tar det förstås mycket tid. Det verkar kanske småaktigt att beklaga sig. Men när man till slut når sina mål, har gjort en framgångsrik karriär och är förste talare på de ledande konferenserna världen runt, då har man knappt tid för sitt arbete längre, säger han, men låter inte helt missnöjd ändå.
Forskningen i Lund ledde redan 1998 till att det bildades ett företag för att ta hand om utvecklingen av eventuella kommersiella tillämpningar av resultaten. Idag finns det flera bolag, bland annat ett som utvecklar solceller, och ett annat för lysdioder (se faktaruta), Sol Voltaics respektive QuNano.
Ännu ett område där man ligger före konkurrenterna är odlingen av det som kallas nanoträd.
Det är små granliknande strukturer som i själva verket är nanotrådar med grenar längs stammen.
De tillverkas som vanliga nanotrådar (se faktaruta) men byggs på i ett andra steg med grenar som kan bestå av kristaller av helt olika material.
Träden skulle kunna förena sina grenar till ett tredimensionellt elektroniskt nätverk, ungefär som i en hjärna.
Men i första hand siktar man på att utveckla effektiva solceller med den här tekniken. Det går till exempel att sätta ”löv” längst ute på grenarna, som gör att upptagningsytan i solcellen ökar rejält. Löven kan göras känsliga för vissa våglängder av ljus, eller också kan de förvandlas till ett lövverk av lysande dioder.
– Nanoträden är än så länge mera av ”blue sky - forskning”, säger Lars Samuelson. Det betyder att en eventuell industriell produkt ligger långt fram i tiden, och exakt vad den kan bli är ännu skrivet i stjärnorna.
I nanovärlden
Nanoteknik går ut på att designa och bygga strukturer av enskilda atomer och molekyler.
På den här nivån är det kvantfysikens lagar som gäller, där elektroner och fotoner beter sig både som vågrörelser och partiklar – samtidigt.
Prefixet nano kommer från det grekiska ordet för dvärg.
I vetenskapliga sammanhang står det för en miljarddel, eller som potens, 10-9. En nanometer är således en miljondels millimeter lång. Längden motsvarar ungefär en rad av tio väteatomer. Nanotrådarna har en diameter som varierar ungefär mellan 10 och 50 nanometer.
De allra minsta viruspartiklarna är cirka 20 nanometer i diameter.
En coli-bakterie är en jätte på många hundra nanometer, och ett hårstrå är 50 000 nanometer tjockt.
Nanopartiklar är så små att de bara kan iakttas med de allra mest avancerade apparater, till exempel ett sveptunnelmikroskop, där man kan se de rundade formerna av enskilda atomer på nanotrådens yta.
Tidigare använde man ofta måttenheten ångström för materiens allra minsta avstånd, efter en svensk 1800-talsfysiker. En ångström, eller angstrom, är en tiondels nanometer, och passar bra till att ange storleken på atomer och bindningarna mellan dem. Men den är inte en del av det internationella SI-systemet av enheter.
I den lilla världen finns hur mycket plats som helst
Ett helt nytt forskningsfält ligger vidöppet, sa den legendariske fysikern och nobelpristagaren Richard Feynman i en numera klassisk föreläsning på Caltech-universitetet i Kalifornien 1959.
Feynman drömde om att kunna gå ner på den verkligt lilla skalan.
Om man kunde manipulera enskilda atomer så skulle det vara möjligt att samla informationen i alla böcker i världens bibliotek, 1015 bits, i en kub som bara var en tiondels millimeter bred. Ett enda dammkorn.
– Så kom inte och snacka om mikrofilm, sa Feynman.
Han siktade betydligt längre. Och idag börjar vi närma oss Feynmans dröm.
Sedan 1993 delas det ut ett Feynman-pris för framsteg inom nanoteknik. Hans profetiska föreläsning från 1959, There’s plenty of room at the bottom, finns att läsa (på engelska) här:
Kolnanorör eller nanotrådar?
Kolatomer är användbara som byggstenar i nanostrukturer eftersom de gärna binder till andra kolatomer i stabila tredimensionella mönster. I naturen finns till exempel kol i formerna grafit och diamant, eller som klot av fulleren.
I ett kolnanorör binder varje kolatom till tre andra i ett nät med sexkantiga rutor. Nätet bildar ett rör med en diameter på ett par nanometer, men som kan bli flera millimeter långt.
De här rören är användbara bland annat för att de har unika mekaniska egenskaper. Men de kan också fungera som transistorer i små kretsar, och alltså bli en ersättare till dagens kiselbaserade elektronik.
Men det finns fortfarande en del svårigheter med att få den exakta kontroll över elektronerna i kolnäten som krävs för elektroniska tillämpningar.
Där har nanotrådar av olika halvledarmaterial fördelen att de kan komponeras med en mycket exakt kemisk sammansättning, och en precis styrning av hur elektronerna fördelas i strukturen.
Så skapas nanotrådar
Ett frö av rent guld placeras på ett underlag. Kornet av guld är bara några tiotals nanometer stort. Med hjälp av laser eller kemiska metoder förångas en halvledare, till exempel föreningar av kisel, germanium, gallium eller indium, som alltså förvandlas till en gas. När gasen svalnar samlar sig atomerna i ett kristallmönster under fröet av guld.
Efterhand lyfts guldet högre och högre av den växande nanotråden så att det till slut sitter högst upp på tråden som en mössa.
Tråden får samma diameter som guldkornet, och vill man skapa nanotrådar som består av skikt av olika halvledare så är det bara att tillföra nya typer av material i etapper under tillväxtfasen.
Om man sedan beskjuter den stående tråden med guldpartiklar från sidan så uppstår nya tillväxtpunkter på trådens ”stam”. När ny ånga tillförs så växer det ut grenar på stammen, och resultatet blir ett nanoträd.
Lysdioder och solceller
Nanotrådar är fortfarande en teknik som mest hör hemma i laboratoriet. Men flera tillämpningar finns redan, eller snart, i kommersiellt bruk. Till de första hör lysdioder och solceller.
En halvledare, till exempel kisel eller germanium, kan “dopas”, så att ämnet antingen blir av p- eller n-typ. Där de två typerna möts uppstår en så kallad pn-övergång. Ström kan bara flöda i en riktning, från p till n-sidan. När en elektron vandrar genom en pn-övergång av speciell typ ger den ifrån sig energi i form av en foton, en ljuspartikel.
I nanotrådar kan sådana här pn-övergångar designas så exakt att de bildar högeffektiva lysdioder. Lysdioder i nanostorlek är små, snabba och energisnåla. De används redan idag där man behöver ljus av mycket exakta våglängder, eller där kostnaden inte är så viktig. I framtiden räknar många med att lysdioder helt ersätter glödlampor, inte minst för att spara på energi. Då kan en jättelik marknad vänta för nanotrådarna.
En fotoelektrisk cell fungerar i princip tvärtom mot en lysdiod. När ljus (fotoner) träffar elektroner i en pn-övergång skapas en ström. På så vis gör en solcell elektricitet av solens strålar.
De bästa solcellerna idag lyckas omvandla 40 procent av solenergin till elektricitet, men de är dyra.
Nanotrådar eller nanoträd med knivskarpa pn-övergångar och stor upptagningsyta för ljuset beräknas nå samma effektivitet men till en mycket lägre kostnad än dagens modeller.
Andra tillämpningar
Forskningen kring nanotrådar har exploderat de senaste tio åren. Från hela världen kommer rapporter om nya framsteg och nya sätt som de kan konstrueras för att revolutionera vår tillvaro. Några exempel:
Datorminnen – Vid University of Pennsylvania tillverkades 2007 nanotrådar som kan lagra information flera tusen gånger tätare än ett flash-minne. De kräver avsevärt mindre mängd ström och kan teoretiskt behålla data oförändrade under tusentals år. Avläsning och lagring går ettusen gånger snabbare än i konventionella minnen.
HD-TV – Med nanotrådar som förvandlats till lysdioder kan en display eller tv-skärm få en upplösning som vi bara kan drömma om idag. Men så små lysande dioder kan naturligtvis också få nya underlag att visa rörliga bilder och texter. Varför inte på en plastfilm eller ett pappersark?
Biosensorer – En nanotråds förmåga att släppa igenom ström kan påverkas av enskilda molekyler som fäster på tråden. En modell för superkänsliga sensorer är att låta antikroppar fastna på en nanotråd. Antikroppar är designade för att känna igen och ta hand om en specifik molekyl. Om den speciella molekylen, till exempel ett smittämne, finns i ett prov – det räcker med bara ett fåtal molekyler – så hakar de fast i antikroppen och förändrar därmed nanotrådens elektriska egenskaper. Om den nanotråden i sin tur är styrenhet i en transistor, så kan utslaget enkelt läsas av i strömflödet genom kretsen.
Neuroelektroder – Kontakter som kan pluggas in i hjärnan måste vara små, och kunna placeras exakt rätt. I många laboratorier arbetar man intensivt på att hitta ett sätt att koppla samman hjärnans motoriska centrum med moderna mekaniska proteser. På så vis skulle en protes kunna styras med tanken. Forskning pågår också på det här området för att lindra smärta eller förbättra livet för Parkinson-patienter. I Lund pågår ett stort projekt där neurologer, cellforskare och nanotekniker försöker att finna ett sätt att få effektiv kontakt mellan nervceller och nanotrådar.