Eru nanólegur til?

Nafn þitt

Netfang þitt

Netfang móttakanda

Ruslpóstvörn =

Svar

Eru nanólegur til?
Spurningin í heild sinni hljóðaði svona:

Eru til nanólegur, væri hægt að smíða þær og hvernig væri viðnámið í þeim miðað við venjulegar legur, til dæmis rúllulegur?

Það er ekki einfalt mál að svara þessum spurningum. Í stuttu máli eru margir vísindamenn að leita ýmissa tæknilegra lausna á smáum lengdarskala, oft með góðum árangri, en stundum hafa þeir gleymt að taka með í reikninginn mikilvæg eðlisfræðileg fyrirbæri sem koma í veg fyrir að viðkomandi lausn virkar. Þetta er ekki svo ólíkt þróunarferlum á stærri skala: Bíllinn, flugvélin og vatnsaflsvirkjunin urðu ekki til á einum degi. Fólk lærir þó vonandi af eigin mistökum og bætir næstu kynslóð hönnunar. Menn hafa áttað sig misvel á því að það er margt sem ekki er unnt að yfirfæra beint í smærri útgáfu.

Fyrst er ef til vill best að líta á spurninguna: Hvað eru legur? Segja má að legur séu „uppfinning manna til að minnka viðnám milli flata við ákveðnar aðstæður.“ Það er vissulega rétt að í náttúrunni eru fyrirbæri sem minnka viðnám en við köllum slík fyrirbæri yfirleitt ekki legur. Afreksfólk í sundi klæðist um þessar mundir fatnaði til að minnka viðnám milli líkamans og vatnsins eins og frekast er unnt. Þessi sundfatnaður er hannaður eftir hákarlaskrápi! Hugtakið legur er yfirleitt notað um verkfræðilegar lausnir manna til að draga úr viðnámi. Í legum eru oft notaðar kúlur, sívalningar (rúllulegur), eða vökvi til að skilja að fleti og draga úr núningsviðnáminu.

Hvað er það að eitthvað sé „nanó“? Nanó er ekkert annað en smækkunarforskeyti ættað úr grísku, en nanos merkir dvergur. Í raunvísindum er það notað til þess að tákna 10^-9 hluta einhvers (0,000000001 hluti). Þannig er talað um nanósekúndur, 1 ns = 10^-9 s og nanómetra, 1 nm = 10^-9 m. Þegar talað eru um nanótækni er yfirleitt átt við manngerða hluti þar sem einhver mikilvægur hluti umrædds tæknilegs fyrirbæris hefur að minnsta kosti tvo af eftirfarandi þremur eiginleikum: lengd, breidd eða hæð á stærðarbilinu 1-100 nm. Sem dæmi má nefna nanólitógrafíu (e. nanolithography) sem gengur út á að skrifa mynstur á slétt yfirborð á fyrrgreindu stærðarbili.

Hugum aðeins að „umhverfinu“ á nanóskala. Bil milli frumeinda í kristalli er yfirleitt 0,3 til 0,5 nm, eftir efni. Mældur hrjúfleiki „slétts“ yfirborðs er sjaldan minni en 0,5 nm að meðaltali yfir stór svæði. Þessi mæling er oft gerð með AFM-tækni (e. Atomic Force Microscopy) þar sem oddi sem endar með einni frumeind er rennt eftir yfirborðinu og kraftinum milli odds og yfirborðs er haldið föstum. Krafturinn sem um ræðir er fyrst og fremst rafkrafturinn milli oddsins og yfirborðs frumeindanna. Það ber að hafa í huga að á þessum stærðarskala eru rafkraftar orðnir hlutfallslega miklu sterkari en þyngdarkraftar, sem gerir umhverfið talsvert ólíkt því sem við eigum að venjast. Viðloðun eða fráhrinding vegna rafkrafta er það sem mestu máli skiptir ef ferðast á um á þessum skala.

Ímyndum okkur að við séum 1 nm á hæð og séum að reyna að ferðast eftir fullkomlega sléttu (engin þrep í frumeindabyggingunni) yfirborði kristalls. Þá má telja líklegt að við þurfum að mjaka okkur á milli „dælda“ sem eru aðskildar af „hraukum“ sem ná okkur upp í mitti. Á milli dælda eru 0,3 til 0,5 nm. Það sem skilgreinir dældirnar og hraukana er rafhleðsludreifing yfirborðs efnisins. Þetta kann að hljóma svolítið sérkennilegt, en vonandi er alla vega orðið ljóst að þetta umhverfi er talsvert frábrugðið því sem við eigum að venjast. Að reyna að heimfæra til dæmis aðfarir þæla Egypta forðum, það er að stilla viðardrumbum undir pall og hífa svo í kaðal þar til pallurinn með hlassinu ofaná rúllar af stað, yfir í þennan smásæja heim er ekki álitlegur kostur. Hefðbundnar kúlulegur eru heldur ekki líklegar til þess að gefa góða raun.

Nanóvél sem getur „synt“. Hægt er sjá hana hreyfast á fyrri vefslóðinni sem gefin er upp í neðstu efnisgrein þessa svars.

Það er alls ekki sjálfsagt mál að ferðast um jafnvel þótt við gætum smækkað okkur sjálf og/eða einhverja hreyfanlega eða fjarstýranlega hluti. Á smáum skala er seigja vökva hlutfallslega miklu meiri en við upplifum, og yfirborðsspennu fylgja geysisterkir kraftar. Sýnt hefur verið fram á að það er útilokað að komast lönd né strönd í smækkaðri útgáfu kafbáts (kannast einhver við bíómyndir í þessa veru?) jafnvel þótt hægt væri að smíða hann og knýja með hlutfallslega firnasterkum vélum. Skrúfa sem snýst aftan í kafbáti er dæmi um tækni sem ekki er hægt að yfirfæra í smásæjan heim, enda nota til dæmis frumur allt aðrar aðferðir til að komast um. Því fer hins vegar víðs fjarri að menn hafi lagt árar í bát enda er náttúran búin að leysa ýmis vandamál sem mennirnir eiga eftir að læra og færa yfir í tækninýjungar.

Spurningunni um nanólegur er enn ósvarað, bæði af háfu undirritaðs og, sem meira máli skiptir, af þeim vísindamönnum sem eru að glíma við ofangreind verkefni. Ýmsar hugmyndir eru hins vegar uppi um leiðir til að ferðast áfram og snúa hlutum á þessum skala, sjá til dæmis http://focus.aps.org/story/v13/st27 og vefsíðu eftir Markus Porto við Tæknilega Háskólann í Darmstadt http://www.fkp.tu-darmstadt.de/porto/engine/. Sumar virðast ef til vill vænlegri en aðrar, en oft er erfitt að spá um afdrif þeirra fyrirfram og það má næstum ganga að því sem vísu að einhverjar þeirra eiga eftir að koma manni á óvart....