Nanopartikler

En nærmest ufattelig teknologisk revolusjon

NB – Artikkelen er ikke ferdig

1.    Contents

1.      Contents. 2

2.      Sammendrag. 3

3.      Oversikt og innledning. 3

4.      Historie. 4

5.      Navnet skjemmer ingen: Hva er «nano»?. 4

6.      Oversikt 5

7.      Hva er egentlig nanopartikler?. 6

Nanotråder 6

Karbonnanorør 6

Fullerener 6

Metalloksider 6

Sølv og andre metaller 6

Kvanteprikkerar 6

Dendrimer 6

Nanokapsler 6

Belegg og funksjonalisering. 7

Biopolymerer og bionanomaterialer 7

8.      Eksempler på «nano produkter» i dag. 7

Nanomedisin. 7

Applikasjoner innen medisin. 8

Nano i forsvarsteknologi 8

9.      Case study: Nano i energiteknologi 9

Isolasjon i hus. 9

Bensintilsetninger 9

Solceller 10

Nye batteriteknologier (nano, selvsagt) 11

Delkonklusjon nano i energiteknikk for hus og bil 11

10.   Investere nå, dvs i dag?. 12

11.   Noen 2nd thoughts med nano?. 13

Forurensning?. 13

Kan det være giftig?. 13

Konklusjon. 13

12.   Konklusjon. 13

2.    Sammendrag

Nano materialer har potensiale til å nærmest «change the world in which we live” og vil kunne skape muligheter innen materialteknologi og «hverdagsfysikk» som er intet mindre enn breathtaking. Når man kan manipulere stoffer, biologi og materialer på atom- og molekylnivå og bygge opp applikasjoner som består av designer elements, skjer det noe helt dramatisk: Vi lager verden på nytt, nærmest.

Som tre hverdagseksempler kan vi nevne (a) tekstiler som er helt flekkresistente, (b) matemballasje som bevarer maten perfekt mht luft, temperatur og fuktighet, og (c) superlett isolasjonsmateriale som tar mye mindre plass en den Glava isolasjonen vi bruker i husene og hyttene våre i dag.

Se f eks https://en.wikipedia.org/wiki/Applications_of_nanotechnology.

I denne rapporten skal vi se nærmere på både teknologien som sådan og på en del applikasjoner vi har pt. Det er rimelig å forvente at det kommer mye spennende i en forholdsvis nær fremtid, si 5 – 20 år, og allerede i dag kommer det nye produkter på en ukentlig basis.

Hvis vi klarer å mestre dette skikkelig, og det er det all grunn til å tro da vi er på god vei, kan vi komme til å se en rekke science fiction aktige oppfinnelser de neste årene, eg uniformer som «syr/reparerer» seg selv ved rifter, medisiner som gjør akkurat det de skal uten bivirkninger, fly som veier en brøkdel av de vi har i metall i dag, biler og motorsykler som er lette og kollisjonssikre, klassiske gitarer med mye mer lyd, og en hel del annet.

Så følg med – nå braker det løs.

3.    Oversikt og innledning

Figuren under viser hva en nanopartikkel er mht størrelse (rødt), overflate (lysegrønt), form (mørkegrønt) og materiale (gult). Om vi skal lage emballasje, maling, en halvleder til en datamaskin eller en lyspære kan vi «velge» størrelse, overflate, form og materiale for å lage applikasjonen så optimal for bruken som mulig.

4.    Historie

Moderne nanoteknologi begynte for alvor i 1981, da det skannende tunnelmikroskopet tillot forskere og ingeniører å se og manipulere individuelle atomer. IBM-forskerne Gerd Binnig og Heinrich Rohrer vant 1986 Nobelprisen i fysikk for å ha oppfunnet skannetunnelmikroskopet.

Nanopartikler kan klassifiseres i forskjellige typer i henhold til størrelse og morfologi samt i hht fysiske og kjemiske egenskaper. Noen av dem er karbonbaserte nanopartikler, andre er keramiske nanopartikler, atter andre er metall partikler, halvleder partikler, polymere partikler eller lipid (fettsyre) baserte nanopartikler.

Nanoteknologi er så viktig fordi teknologien har potensiale til å løse mange av menneskehetens problemer slik status er per i dag i år 2020. Hvis den utvikles ansvarlig, kan nanoteknologi løse mange problemer i de fattigste landene i verden: sykdommer, sult, mangel på drikkevann og mangel på hus.

Det er i sannhet en revolusjon som later til å stå foran oss.

5.    Navnet skjemmer ingen: Hva er «nano»?

Nano er 10-9 = 1 / 1 000 000 000 meter = 1 milliard del av en meter = 1E-9 = 1 million del av en millimeter. Se https://no.wikipedia.org/wiki/Nano. Med nanoteknologi mener vi teknologi som jobber med materialer på nano scale, dvs 1 – 100 nanometer: nm. På engelsk: The term nanoscale is used to refer to objects with dimensions on the order of 1-100 nanometers (nm).

Og det blir fort store tall og mange nuller av det. Hvis et nanoelement er 1 * 10-9 meter i tre dimensjoner betyr det at èn kubikkmeter m3 har 109 molekyler i tre dimensjoner = 109*109*109 = 1027 molekyler i en kubikkmeter m3. Skrevet som tall blir det ganske heftig:

            10 000 000 000 000 000 000 000 000 000 stk nanopartikler i en kubikkmeter

Hvis man klarer å gi alle disse nanoelementene eller molekylene en fasong, form og/eller egenskap som gjør at man f eks kan lage et flortynt isolasjonsmateriale med samme varmekapasitet som Glava, kan man potensielt bare smøre eller spraye det på platene i veggen eller taket, og, potensielt igjen, spare en masse penger, plass og tid.

Eller, som i artikkelen under: En militær uniform som gir en helt annen beskyttelse enn dagens uniformer.

6.    Oversikt

Hvis du skriver «introduction to nanotechnology» inn på www.google.com får du en god oversikt over hva nanoteknologi er.

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/B9780128135860000018 står dette abstract’et:

Nanotechnology represents a revolutionary path for technological development that concerns the management of material at the nanometer scale (one billion times smaller than a meter). Nanotechnology factually means any technology on the nanoscale that has numerous applications in the real world. Nanotechnology literally encompasses the fabrication and application of chemical, physical, and biological systems at scales ranging from individual molecules or atoms to submicron dimensions, and also the integration of these resulting nanomaterials into larger systems. It has the potential to change our perspectives and expectations and provide us with the capability to resolve global issues. The discovery and use of carbon nanomaterials has allowed the introduction of many new areas of technology in nanomedicine, biosensors, and bioelectronics. In recent years, nanotechnology has emerged as a multidisciplinary field, in which gaining a fundamental understanding of the electrical, optical, magnetic, and mechanical properties of nanostructures promises to deliver the next generation of functional materials with wide-ranging applications. Nanostructures can also provide solutions to technological and environmental challenges in the areas of catalysis, medicine, solar energy conversion, and water treatment.

7.    Hva er egentlig nanopartikler?

I litt større detalj kan vi se på de forskjellige bestanddelene nanoteknologi består av.

https://teknologiradet.no/nanopartikler-og-deres-egenskaper/

Nanotråder

Er tråder med diameter på nanoskalaen. Hule nanotråder kalles nanorør, hvorav karbonnanorør er mest kjent. Nanotråder kan også være oppbygd av silisium, titandioksid og flere andre stoffer. Flere av disse har halvlederegenskaper og kan brukes blant annet som transistorer og lysdioder. De utforskes også for ultrafølsomme detektorer for kjemiske og biologiske molekyler.

Karbonnanorør

Dannes av flak av karbonatomer foldet sammen til rør. Enkelte utgaver er svært sterke og benyttes som armering, andre har halvleder-egenskaper og kan benyttes i elektronikk.

Fullerener

Kan forstås som flak av karbonatomer foldet sammen til en ball. Mest kjent er C60-fulleren hvor 60 atomer er organisert i samme struktur som hjørnene mellom lærlappene på en fotball.

Metalloksider

Som titandioksid er utgangspunkt for mange av de nanopartiklene som er mest utbredt i dag. Nanopartikler av titandioksid benyttes i solkrem og maling.

Sølv og andre metaller

Som jern, kobber og gull får nye og uvante egenskaper når de opptrer på nanoskalaen. Gull lyser blått og sølv er et effektivt bakteriehemmende middel.

Kvanteprikkerar

Har til felles at de kan ta opp eller avgi energi av bestemte nivåer. Denne egenskapen utnyttes blant annet i belysning og som markører i medisinsk   avbildning. De kan også fungere som halvledere innen elektronikk.

Dendrimer

Dendrimer er komplekse organiske molekyler med regelmessig, forgrenet struktur. Ulike seksjoner kan være vannavstøtende og vanntiltrekkende, og dette er nyttig innen medisinske og bioteknologiske anvendelser. Dendrimer regnes for å være ustabile slik at de enkelt løses opp i mindre molekylære enheter.

Nanokapsler

Liposomer er hule, kuleformede aggregater av fettstoff (lipider). Tilsvarende kapsler kan dannes av andre organiske molekyler som peptider. Hulrommet kan brukes til å transportere kjemiske stoffer, for eksempel vitaminer og legemidler, til steder der disse er ment å virke. Kapsler av lipider og peptider er ustabile nanopartikler.

Belegg og funksjonalisering

Nanopartikler kan kombineres med andre stoffer for å tilføre nye egenskaper. Å tilføre funksjonelle grupper på overflaten kan for eksempel gi økt reaktivitet eller vannløselighet. Belegging av overflater kan hindre aggregering eller øke motstandskraft mot nedbrytning. Funksjonalisering og belegg kan oppnås gjennom ulike typer bindinger, fra kovalente bindinger til hydrogenbindinger, noe som har betydning for stabilitet og reaktivitet.

Biopolymerer og bionanomaterialer

Et lovende område er å kombinere nanomaterialer med biokjemiske molekyler som proteiner og DNA for dermed å etterlikne de avanserte systemene vi kjenner fra biokjemi. En aktuell strategi er å benytte DNA-tråder til å dirigere syntese av krystaller og andre materialer.

8.    Eksempler på «nano produkter» i dag

https://en.wikipedia.org/wiki/Applications_of_nanotechnology leser vi at følgende er applikasjoner med nanoteknologi som en viktig bestanddel:

  • Nanomedicine
  • Nanobiotechnology
  • Green nanotechnology
  • Energy applications of nanotechnology
  • Industrial applications of nanotechnology
  • Potential applications of carbon nanotubes
  • Nanoart
  • Nanoelectronics
  • Nanotechnology in warfare

Vi skal titte nærmere på to av dem, hhv nanomedisin og warfare/forsvarsteknologi.

Nanomedisin

https://en.wikipedia.org/wiki/Nanomedicine

Funksjonaliteter kan tilsettes nanomaterialer ved å «grense dem» til biologiske molekyler eller strukturer. Størrelsen på nanomaterialer er lik størrelsen på de fleste biologiske molekyler og strukturer; Derfor kan nanomaterialer være nyttige for både in vivo og in vitro biomedisinsk forskning og anvendelser. Så langt har integrering av nanomaterialer med biologi ført til utvikling av diagnostiske apparater, kontrastmidler, analyseverktøy, fysioterapianvendelser og medisiner til å levere medisiner.

Nanomedicine søker å levere et fullt sett med forskningsverktøy og klinisk nyttige apparater i løpet av nær fremtid. The National Nanotechnology Initiative forventer at det kommer nye kommersielle applikasjoner i legemiddelindustrien som kan omfatte avanserte medikamentleveringssystemer, nye terapier og in vivo-avbildning. Nanomedisin forskningen mottar midler fra det amerikanske National Institutes of Health Common Fund-programmet, som støtter fire nanomedisin-utviklingssentre.

Applikasjoner innen medisin

Noen nanoteknologibaserte medisiner som er kommersielt tilgjengelige eller i kliniske studier av mennesker inkluderer:

Abraxane, godkjent av U.S. Food and Drug Administration (FDA) for å behandle brystkreft, ikke-småcellet lungekreft (NSCLC) og kreft i bukspyttkjertelen. Abraxane bruker den nanopartikkel albuminbundne paklitaksel, på engelsk paclitaxel

Abraxane is a cancer medicine that interferes with the growth and spread of cancer cells in the body. Abraxane is used to treat advanced cancer of the breast, lung, or pancreas. This medicine is used when he cancer cannot be treated with surgery or after other treatments have failed.

Paclitaxel (PTX), sold under the brand name Taxol among others, is a chemotherapy medication used to treat a number of types of cancer. This includes ovarian cancer, breast cancer, lung cancer, Kaposi sarcoma, cervical cancer, and pancreatic cancer.

Doxil ble opprinnelig godkjent av FDA for bruk på HIV-relatert Kaposis sarkom. Det brukes nå til også å behandle kreft i eggstokkene og myelomatose. Legemidlet er innkapslet i liposomer, noe som bidrar til å forlenge levetiden til stoffet som distribueres. Liposomer er selvmonterende, sfæriske, lukkede kolloidale strukturer som er sammensatt av lipid-dobbeltlag som omgir et vandig rom. Liposomene bidrar også til å øke funksjonaliteten, og det hjelper til med å redusere skaden som stoffet gjør på hjertemuskulaturen spesifikt.

Onivyde, liposom innkapslet irinotekan for å behandle metastatisk kreft i bukspyttkjertelen, ble godkjent av FDA i oktober 2015.

Rapamune er et nanokrystallbasert medikament som ble godkjent av FDA i 2000 for å forhindre avvisning av organer etter transplantasjon. Nanokrystall-komponentene muliggjør økt medikamentløselighet og oppløsningshastighet, noe som fører til forbedret absorpsjon og høy biotilgjengelighet.

Nano i forsvarsteknologi

https://en.wikipedia.org/wiki/Nanotechnology_in_warfare

Nanotechnology in warfare is a branch of nano-science in which molecular systems are designed, produced and created to fit a nano-scale (1-100 nm). The application of such technology, specifically in the area of warfare and defence, has paved the way for future research in the context of weaponisation. Nanotechnology unites a variety of scientific fields including material science, chemistry, physics, biology and engineering.

Advancements in this area, have led to categorised development of such nano-weapons with classifications varying from; small robotic machines, hyper-reactive explosives, and electromagnetic super-materials.[4] With this technological growth, has emerged implications of associated risks and repercussions, as well as regulation to combat these effects. These impacts give rise to issues concerning global security, safety of society, and the environment. Legislation may need to be constantly monitored to keep up with the dynamic growth and development of nano-science, due to the potential benefits or dangers of its use. Anticipation of such impacts through regulation, would ‘prevent irreversible damages’ of implementing defence related nanotechnology in warfare.

Vellykkede overganger av nanoteknologi til forsvarsprodukter inkluderer bl a:

Levetiden på materialbelegg økte fra timer til år, men videreutvikling fortsatte (se nedenfor).

Nanostrukturert silikatmanipulasjon som reduserer isolasjonsvekten dramatisk..

High Power Mikrobølgeovn (HPM) enheter med redusert vekt, form og strømforbruk.

USAs regjering har lenge hatt militære motiver mht å utvikle nanoteknologi. Clinton- og Bush-administrasjonene samt forsvarsdepartementet fortsatte med dette og USA planlegger den samme prioriteringen gjennom hele det 21 århundre. Som svar på USAs påståtte offentlige finansiering av forsvarsmålrettet nanoteknologi, har mange globale aktører siden laget lignende programmer.

9.    Case study: Nano i energiteknologi

Nanomaterialer kan brukes til å dramatisk forbedre følgende hverdagsteknologier:

  1. Isolasjonen i huset du bor i.
  2. Bensintilsetning (fuel additive) til fossilbilen du har i dag.
  3. Soceller integrert i tak, vegger og vinduer i det nye huset du skal bygge.
  4. Batteriet i din nye elbil.

Vi skal dykke litt dypere i solceller og elbil-batterier, men la oss kort se på isolasjon og bensin.

Isolasjon i hus

Nano-materialer kan brukes til å forbedre f eks taket på hus som ligger i varme strøk slik at mye mindre av sollyset varmer opp takkonstruksjonen. I Norge tenker vi med isolasjon først og fremst på å hold kulde ute, men «folk flest» bor i land hvor det motsatte oftest er målet: Holde varmen ute.

Med moderne nano- malinger (coating) og konstruksjoner kan vi lage et tak som byr på en helt annen komfort inne enn det dagens tradisjonelle tak klarer å by på.

Bensintilsetninger

Vi gjengir en tekst fra Wikipadia.

Nanomaterials can be used in a variety of ways to reduce energy consumption. Nanoparticle fuel additives can also be of great use in reducing carbon emissions and increasing the efficiency of combustion fuels. Cerium oxide nanoparticles have been shown to be very good at catalysing the decomposition of unburnt hydrocarbons and other small particle emissions due to their high surface area to volume ratio, as well as lowering the pressure within the combustion chamber of engines to increase engine efficiency and curb NOx emissions. Addition of carbon nanoparticles has also successfully increased burning rate and ignition delay in jet fuel.

Så: Selv om du snart skal over på elbil er det godt å vite at du kan få mye ut av den fossile bensinbilen din mens du venter på å kjøpe deg en ny (el-) bil.

Solceller

Hvis du bygger deg et nytt hus om si 10-20 år vil det meget sannsynlig være fullt av nanomaterialer. Og, ikke nok med det: Vegger, vinduer og tak vil mest sannsynlig ha integrerte solceller som du bruker til å samle opp varme og sollys og omgjøre det til anvendelig strøm som du lagrer på et nano-batteri (se under).

Dagens kommersielle solceller samler inn max en 15-20% av energien som treffer dem i form av fotoner fra sollyset. Midt på dagen, når solen står høyest, klarer vi sådan å samle inn 20% av 1000 w/m2 som er insoleringen midt på dagen når solen står høyest, ved ekvator. Og så faller det både med breddegrad, vær og andre solforhold.

Hvis du har et hus som vender sørover og ligger ved ekvator kan du med dagens teknologi samle inn ca dette hva solenergi angår (se f eks http://www.physicalgeography.net/fundamentals/6i.html) hvis vi tenker oss at du har skyfri himmel mellom kl 10:00 og kl 14:00 hver dag hele året, altså 4t per dag, og at gjennomsnittlig «insolering» er 800 W/m2 disse fire timene hver dag:

Du kan lese mer om insolering eller solar irradiance her: https://en.wikipedia.org/wiki/Solar_irradiance.

Med våre antagelser ser vi at energipotensialet er enormt – 58 400 kWt per år er nok til å både drive huset og et par-tre biler. Et gjennomsnittlig norsk hus bruker ca 16 000 kWt/år og en liten elbil som går 1 200 mil (12 000 km) per år bruker ca 1.5 kWt/mil * 1 200 mil = 1 800 kWt. Hvem sa at vi mangler energi?

Når da huset er isolert mot varmeinntrengning med nano-materialer og du kun bruker LED-pærer og har tipp topp moderne hvitevarer og varmtvannstank som bruker lite strøm, ser vi at solcelleanlegget holder deg gående med solid margin. Gitt at du bor et sted med god insolering. Regnestykket «forringes» når du bor i Oslo da insoleringen naturlig nok er lavere, men der er plenty med strøm også så langt nord som Oslo. Mye mer enn folk flest tror.

Her er et kart som viser litt vei mht «insolering»:

Nye batteriteknologier (nano, selvsagt)

Og gitt isolasjon i vegger og tak, LED pærer, solceller på taket, vog tipp topp moderne hvitevarer er det bare èn ting som mangler u huset ditt: batteriet eller batteribanken.

Vi leser på [Wiki]:

A graphene/sulfur/carbon nanocomposite with a multilayer structure (G/S/C), in which nanosized sulfur is layered on both sides of chemically reduced graphene sheets and covered with amorphous carbon layers, can be designed and successfully prepared. This structure achieves high conductivity, and surface protection of sulfur simultaneously, and thus gives rise to excellent charge/discharge performance. The G/S/C composite shows promising characteristics as a high performance cathode material for Li-S batteries.

Nanoteknologien har mange ess i ermet hva batterikapasitet angår, og vi vil nesten helt sikkert være vitner til en aldri så liten revolusjon mht dette de neste årene. Allerede i dag kan en BMW i3 med et 32 kWt batteri holde et hus i gang si ½ – 1 døgn eller så (ja, med vaskemaskin, VV-tank og alt mulig), og når batteriene er på si f eks 199 kWt kan et moderne rekkehus som snitter på 1 kW i effekt holdes i gang
1 kW * 24 timer * 4 døgn = 95 kWt, mao en drøy halv uke (!). dette går vegen – ingen tvil.

Delkonklusjon nano i energiteknikk for hus og bil

Nanoteknologiene vil REVOLUSJONERE energi bruk, lagring og behov de neste si 20 årene og verdens energi «problem» vil være løst gitt at man nyttiggjør seg disse nye teknologiene innen isolasjon, belysning, hvitevarer, solceller og batterier.

Kjøpe oljeaksjer, bygge kullkraftverk eller et trykkeri for papiraviser? Thank you, but no thank you 😊

In our age – technology – be EXTRA careful.

10.         Investere nå, dvs i dag?

Å ettermontere solceller er ganske dyrt. Gode batterier er også dyrt i dag. Investeringsrådet med tanke på max cash flow for deg er således: Spar penga og vente til si år 2025 eller 2030. finn deg så en solrik tomt og riv det rælet som står der. Bygg nytt med moderne nanoteknologier i isolasjon, solceller og batterier, og vips: Energi «problemet» ditt er løst. Kult? Definitivt. Vil dette skje? Ja.

Folk spør tidvis om hva de skal investere i nå som olje ser så mørkt ut? Svaret er ganske enkelt:

  1. Folk skal bo i byene. Kjøp fast eiendom innafor ring #2.
  2. Jammen bil da? Privatbilisme forsvinner. Bo nære T-bane, buss og trikk.
  3. Olje? Gone. Just gone. Invester i nye energiteknologier. Ikke vind, men sol.
  4. Næringsliv? Nano som gjør bylivene billige og komfortable å leve.
  5. Reiseliv? Pandemien satte en støkk i oss. Lita hytte ved sjøen < 2t kjøring fra Oslo / byen du bor i.

11.         Noen 2nd thoughts med nano?

Forurensning?

Det har vært meldt om mange mindre hyggelige ting vedrørende f eks batteriproduksjon, og nano teknologien må ta dette innover seg mht masseproduksjon av de nye teknologiene.

Men det skal også være sagt: Uregulert industri har til alle tider forurenset forferdelig. Se f eks på hvordan vesten dumper el-avfall og rustne supertankere i den 3dje verden, eller hvordan oljesand utvinnes. Det er ikke vakkert i det hele tatt.

Så oppfordringen fra sosialdemokratisk hold er: Regulèr all industri, nano som tradisjonell. Se bare her:

Kan det være giftig?

Definitivt. Som for forurensning må nano-industrien reguleres strengt mht f eks emballasje for mat, bygningsmaterialer, samt alt annet som er i berøring med mennesker, det være seg produksjon eller bruk/oppbevaring.

Konklusjon

All industri bør reguleres mht bl a kontamisjon og forurensning og skal betale for seg mht hva det koster å gjøre det rent og pent samt resirkulere det. Olje- og shipping er ikke alltid de beste forbildene på det.

Som responsible citizens bør vi nekte å kjøpe varer som ikke følger dette, og vi bør stemme inn partier på Stortinget som tar denne typen regulering på alvor og faktisk gjør noe med lovverket vårt.

12.         Konklusjon

Nanoteknologi byr på enorme muligheter og vil 99% sikkert bli meget, meget stort.

Å investere mht cash flow innen nano er vanskelig og risikabelt, men at store R&D tunge bedrifter som eg de største amerikanske forsvarsindustriaktørene samt Japans bil- og industrimaskinindustri vil gjøre det godt synes svært sannsynlig.

Det samme vil helt sikkert en hærskare av små venture-backed companies gjøre.

Men som alltid: Be EXTRA careful 😊 https://www.youtube.com/watch?v=RCB5yWVKx-Q