Kunstige muskler og selvdrevne minimaskiner: Nanobotene kommer

God dag hr. Røed Blodcelle, mitt navn er Nano Bott.

Nesten all science fiction med respekt for seg selv har med nanoboter – bittesmå maskiner som kan bo i blodstrømmen og kurere sykdommer, sveve i luften og utføre sikkerhetsjenester, eller bli et nettverk for globalt overvåkning for en ond mesterhjerne. Dette er ikke mulig – er det vel? Antakelig ikke, men nyvinninger innen teknologi tar oss stadig nærmere noe som ligner. Møt de to nyeste resultatene: kunstige muskler av karbonnanotuber, og energi trukket ut av «ingenting» til å få en stav til å vibrere. Nanobotene fra fremtiden har plutselig fått både styrke og kraft.

Kunstige muskler

Denne uken rapporterte en gruppe forskere i tidsskriftet Science at de har laget sterke kunstige muskler – veldig sterke, både i løftekraft og i motstand mot å gå i stykker. I motsetning til tidligere forsøk kan disse musklene brukes i luft, og hvor hardt de trekker avhenger av temperaturen. Blir de kalde strekkes de ut, blir de varme trekker de seg sammen. I tillegg kan de gjøres veldig små, siden fibrene er under en milliontedels meter lange. Dette åpner for store teknologiske muligheter – men hvordan har de laget dem og hvordan virker de?

Strikkegarn tvunnet av fibre av karbonnanorør. Sjekk målestokken – den hvite streken er 200 mikrometer lang, eller altså 200 milliontedels meter.

«Musklene» – eller bunter av karbontråd dynket i voks, som de egentlg er, er i utgangspunktet laget av vidundermaterialet karbonnanorør. Karbonatomer har egenskapen at de kan legge seg i lag som bare er ett atom tykt. Da kalles det grafen, og ser ut som hønsenetting. Hvis vi tar en bit slik hønsenetting og ruller opp til et rør så kan vi få atomene langs kanten til å hekte seg sammen, og vi får en sømløs tube – en karbonnanotube. «Karbon» fordi det er det eneste grunnstoffet den er laget av, nano fordi den er noen få nanometer stor (en nanometer er en milliardtedels meter), og tube, vel, fordi det er det de er.

Karbonnanorør. Hver prikk er et karbonatom, og de henger sammen i en slags minihønsenetting. Denne er så rullet opp til en tube. Disse små konstruksjonene er overraskende nyttige.

Forskerne grodde først en slags gressflekk av slike nanorør. Så strakk de rørene ut til en lang tråd, og spant denne slik vi gjør med ulltråd på en råkk. Resultatet ble karbonnanovarianten av strikkegarn – en tvunnet tråd som består av mange tynne fibre, og hver av disse fibrene er i dette tilfellet et karbonnanorør. Det virkelig kule med karbonnanorør er at de er sterke – sterkere enn stål for en sammenlignbar mengde materiale – og lette, faktisk omtrent like lette som luft. Karbonnanotråden forskerne har laget er derfor verdens sterkeste og letteste – og tøffeste – strikkegarn.

Artikkelen i Science er likevel ingen strikkeoppskrift. Det forskerne har gjort med det lette og sterke garnet er å dynke det i parafinvoks. Voksen har den egenskapen at den blir varmere så utvider den seg, og det påvirker garnet den omslutter. Avhengig av spinningen kan trådene tvinges til å trekke seg sammen eller utvide seg når temperaturen endres – med andre ord fungere som en muskel. I følge artikkelen vil garnmusklene kunne fungere fra -50 grader Celsius og opp til flere tusen grader – et stort nok spenn til å gjøre dem attraktive innen stort antall ulike teknologiske forskningsområder.

Mulighetene som forskerne selv skisserer inkluderer klær som trekker seg sammen når det blir kaldt og utvider seg til bedre lufting i varmen, zoom-linser for mikrokameraer, bittesmå aktuatorer – dingser som gjør om elektriske signaler til bevegelse i mikroteknologi – og rett og slett mikromotorer.

Fibrene er både lette og relativt billige å produsere, og det er fullt mulig å masseprodusere teknologi basert på karbonnanomuskler allerede i dag. Vi kan trygt spå at dette vil se anvendelser i fremtiden.

Motorer drevet av energi fra «ingenting»?

Minimusklene er flotte, men fortsatt avhengige av ytre energi for å virke. Siden energi aldri kan bli til fra ingenting vil dette også gjeld alle andre maskiner vi kan lage, samtidig som vi veldig gjerne skulle hatt små maskiner som kan jobbe uten å måtte lades opp. Finnes det en vei rundt denne grunnleggende begrensningen?

Svaret, som lenge har vært deprimerende negativt, tippet nylig litt nærmere et ja. Et annet resultat, også presentert sist uke på nyhetssiden physicsworld.com, handler om bittesmå tannhjul som nesten kan drive seg selv. Eller ihvertfall om forskere som mener de kan få til nettopp det, fordi de nå har fått en metallflis til å vibrere nesten av seg selv.

Forskernes egen illustrasjon av hvordan et hydrogenmolekyl (de små toprikkede tingene) kan dytte på en spiss (prikkpyramiden) når den vipper opp og ned. Bildet er også en illustrasjon på dagens trend bland forskere til å prøve å dytte mest mulig informasjon på hvert bilde, som igjen kommer av tidsskriftenes høye priser og sidebegrensninger. Men det er en helt annen sak…

Prinsippet de vil utnytte er at luften og andre stoff omkring oss aldri er fri for energi. Varme er energi, og nettopp denne energiformen er lagret i form av vibrasjonene til atomene luften og stoffene omkring oss er satt sammen av. Holder luften null grader Celsius vibrerer luftmolekylene frem og tilbake og dunker mot hverandre. Holder luften tjue grader Celsius vibrerer de mer. Bare hvis et stoff har en temperatur på -273.15 Celsius ligger de helt stille – det er nettopp dette som er definisjonen på ´det absolutte nullpunkt´, den laveste temperatur det går an å få, når alle molekylene har sluttet å bevege seg.

Luften har altså hele tiden tilfeldige bevegelser i seg. Men kan disse utnyttes på noen måte? En motor som «går på» slik energi vil i såfall ikke bryte noen naturlover – den bare henter energi fra luften og gjør den samtidig bittelitt kaldere. Å gjøre dette i praksis er derimot veldig vanskelig, for luftmolekyler er veldig veldig små, og bevegelsene de har er også veldig svake. Dessuten vibrerer de i alle mulige retninger på en gang, noe som ville dyttet en motor like mye fremover som bakover.

Forskerne i nyhetsartikkelen har ikke laget en motor, men de har derimot klart å bruke den tilfeldige bevegelsen til et hydrogenmolekyl til å få en planke hengt opp i en ende – en bitteliten metallflis – til å vibrere. Planken ser ut som en miniversjon av en ispinne som er stukket inn i en vegg, og som det er stukket en tegnestift gjennom den andre enden på. Denne stiften, egentlig tuppen i et AF-mikroskop (Atomic Force Microscopy), kan peke inn på ett enkelt hydrogenmolekyl. Dette molekylet ser på sin side ut som en dominobrikke – langt og flatt, siden det består av to hydrogenatomer bundet sammen til en pinne. Ved å sende en liten strøm fra tuppen og ned i bordplaten under fikk forskerne molekylet til å vibrere, som om dominobrikken falt og så reiste seg opp igjen, så falt, reiste seg opp, og så videre. Denne bevegelsen ble overført til spissen, som igjen ble overført til ispinnen, som dermed vibrerte.

Hvis du synes dette høres ut som det er ganske langt fra å bli en lite motor så har du helt rett – men det viktige er at de har brukt den nesten umerkelige, tilfeldige bevegelsen til hydrogendominobrikken til å få til bevegelse i noe som er mye større. Dette er prinsippene bak en motor, og forskerne skisserer ideer for hvordan resultatet kan tas videre og for eksempel få bittesmå tannhjul til å gå rundt drevet bare av den tilfeldige energien til luften rundt. Veien er lang, men når noe først er vist mulig i prinsippet er praksis med ett mye nærmere.

Du skulle få en nanobot av meg, men nå finner jeg den ikke igjen…

Når får vi nanoboter – nanometer store roboter – som vi kan sprøyte inn i blodet og som kan gi oss medisiner, passe på kolesterolet og rydde opp i blodpropper? Når kan vi fylle huset med usynlige, svevende minikameraer som overvåker alt og ser enhver tyv som måtte stikke snuten innenfor? Antakeligvis aldri. Men likevel: Ingenting er mulig før man vet hvordan, og kunstige musklene og energi fra tilfeldige molekylbevegelser er faktisk store, interessante skritt mot et slikt ´hvordan´. Begge nyvinningene har den fordelen at de faktisk kan gjøres så små at de kunne vært brukt til svevende eller blodsvømmende roboter – en gang i fremtiden. Gjør det oss inspirerte og oppglødde – eller foruroligede? Ta det med ro: En mer sannsynlig, om enn vagere, gjetning en disse to science fiction-inspirerte ideene er nok at bitte, bitte små maskiner – nanoteknologi – kommer til å invadere livene våre slik mikroteknologien alt har gjort det. Kanskje ikke alt den har kommet med er av det gode, men det meste har sklidd sømløst inn i samfunnet og blitt en del av den moderne hverdag.

Hva tror du kunstige muskler av karbonnanorør kan brukes til? Eller mikromaskiner som henter energi fra luften rundt? Kommentarfeltet er åpent – bli med og spekuler rundt hva fremtiden bringer.

5 comments

  1. Carbomontanus · november 18, 2012

    Samset
    dette her har jeg måttet instruere og repetere omhyggelig og grundig for kollega Reidar Finsrud som skulle lage seg perpetuum mobile. Han er svært dyktig og hadde alle mulige forslag men har alltid hatt det så travelt at han har ikke artium så der måtte jeg hjelpe ham litt. Han tenkte seg blant annet «tenkemetall» som du krøller sammen og legger i en kjele vann og varmer og så sier det svupp eller sprett, og så retter det seg ut igjen med storkraft. Dette ville han lage maskin av.

    Jeg har en gang hatt en oppgave i fysikk med å lage carnot- sykkel av en såpehinne i en ståltrådgrind hvor det varmes og kjøles. Finsrud etterlyste det materiale i verden man kan lage best Carnotsykkel av, og jeg sa helium eller vannstoff, men at vanlig luft faktisk er nesten like bra.

    Da bestilte han og fikk ferdiglaget en liten carnotsykkel med svinghjul utført som stirlingmotor, som står der på disken og tuttler og går når man lyser på den med ei halogenpære. Og jeg gav ham 4 hovedregler i fysikken:

    §1, Om gud vet vi mindre (Han er relliøs)
    §2, om Solen vet vi at den er relativt perpetuum
    §3, om alt under solen vet vi at vi ikke må bestride annen hovedsetning i energetikken
    §4 Da får vi våre Mobiles til å tuttle og gå

    Og det stemte. Da fikk Finsrud også sin mobile til å tuttle og gå bare etter en uke. Bevis. http://Reidar Finsrud Perpetuum Mobile.

    Samtidig fikk jeg også min mobile til å tuttle og gå, Kolbergs tikktakkstativ, det sjølgående astrostativ som ble vist til solformørkelsen og venuspassasjen i Frognerparken. Det går av seg sjøl.

    Universitetet ble misunnelig og tok seg grundig sammen for å matche alt dette, og Universitetet fikk det også til. Universitetets mobile henger der og dingler og dangler relativt perpetuum i vestibylen på Fysisk institutt. Det var Finn Isaksen som spionerte og lærte mye av dette hos Finsrud på vegne av Instituttet.

    Men jeg har en bimetall fjær som har sittet i forgasseren på ei gammal folkevogn for å regulere choken. Jeg har ikke funnet anvendelse for den enda men den beveger seg frem og tilbake når man varmer og kjøler. Det er det mange ting som gjør, men man kan og få til det motsatte, at det beveger seg tilbake og frem, når man varmer og kjøler. Vann for eksempel, og Bismuthlegeringer såkalt «krympemetall».

    Men allerede med såpehinner, surface tension øker når man kjøler.

    Dramatiske sprett får man også til ikke bare med «Huskemetall» men også med is. Det rasler og romler og banker i fjellet og det sier bang og knekk når isen fryser sterkt og dessuten når man varmer eller kjøler for fort på glass og teglsten.

    Vi fyrte bål en gang for å steke biff ute på Bastø. BANG! sa det. Og spratt kraftig. Jeg la stenen på plass igjen. BANG! sa det en gang til og jeg fikk en en varm stensplint i benet. «Nei, den skyter den..» sa min onkel og tok den stenen ut av bålet.

    Senere har jeg kanskje skjønt hva det kan være, for like innenfor ligger Tofteholmen med et gammel vulkanrør, der det er størknet og kjølnet under stor spenning. Og så varmer vi på dette ved havnivå…..

    Det kan altså i naturen forekomme eller foreligge spente rottefeller av forklemte mineraler som er krystalliserte og har kjølnet under meget høyt trykk…..og så varmer og lirker man på dette…..

    Men at carbon er sånn det visste jeg ikke annet enn om forskjellen på grafitt og diamant.

    Om hva fremtiden vil bringe, det var oppgaven. Og det var også Finsruds prosjekt og det har likeså vært mitt prosjekt allerede lenge så jeg kunne hjelpe ham litt med det. Og det viste seg ganske riktig at de fire hovedregler d / o er temmelig avgjørende for å kunne få våre mobiles til å tuttle og gå.

  2. Patrick · november 20, 2012

    That’s a great discovery! Drexler and Feynman would have been crazy happy to read this one 🙂

  3. Anders Kokkvoll Engdahl · november 28, 2012

    Dette er jo nesten det samme jeg har bedrevet med den siste tiden. Jeg gjör et labpraktikum i fysikalsk kjemi her nede i Hamburg som nesten utelukkende bestär av karakterisering av nanopartikler (fotoniske kystaller, PMMA-partikler og karbonnanorör). Karbonnanorör karakteriserer vi med Raman-spektroskopi for ä finne ut om de har halvledende eller metalliske egenskaper, om de bestaar av enkelt-lag av grafen (SWCNT) eller flere lag (MWCNT), samt hvilken diameter man har paa rörene. Men det er neimen ikke lett aa komme til en entydig konklusjon. Nanoskalaen er en liten skala, og det er lett aa gaa seg vill i analysen av spektre.

    De forelöpige fremstillingsmetodene setter vel de störste restriksjonene paa anvendelsene av karbonnanorör. Det finnes vel rett og slett ikke fremstillingsmetoder som produserer nok til at det kan anvendes paa industrielt nivaa ennaa. Det er kanskje her de störste gjennombruddene maa komme.

    • Bjørn H. Samset · november 28, 2012

      Spennende! Her ligger det haugevis med interessant kunnskap som ihvertfall jeg ikke kan så mye om. Kanskje du kunne tenke deg å skrive et gjesteinnlegg til kollokvium om karakterisering av nanopartikler? Vi tar gjerne imot.

      Bjørn

      • Anders Kokkvoll Engdahl · november 28, 2012

        Vel, jeg er langt ifra noen ekspert på feltet. Har kun vært borti det i forbindelse med labpraktikum her i Hamburg, og når det er på tredje året bachelor er det jo litt begrenset hvor mye man får med seg. Det ville nok være lett å falle i alle slags mulige fallgruver som temaet kan bringe med seg.

Legg igjen en kommentar

Fyll inn i feltene under, eller klikk på et ikon for å logge inn:

WordPress.com-logo

Du kommenterer med bruk av din WordPress.com konto. Logg ut / Endre )

Twitter picture

Du kommenterer med bruk av din Twitter konto. Logg ut / Endre )

Facebookbilde

Du kommenterer med bruk av din Facebook konto. Logg ut / Endre )

Google+ photo

Du kommenterer med bruk av din Google+ konto. Logg ut / Endre )

Kobler til %s