nanoteknologi - i en grænseløs verden
TRANSCRIPT
Nanoteknologi -
i en grænseløs verden
Maj 2001
Randersgade 60
DK-2100
København Ø
Tel. +45 3544 6200
Fax +45 3544 6201
CVR-nr. 1991 8440
www.forsk.dk
Forskningsstyrelsen
Dan
ish
Rese
arc
h A
gen
cy
2
Sammenfatning
Nanoteknologi er evnen til at arbejde på det atomare, molekylære og supramolekylære ni-veau, dvs. på en længdeskala fra 0,1 - 100 nanometer (nm); 1nm er 10–9 meter, en million-tedel af en millimeter. Ved at kontrollere den atomare opbygning kan man skræddersy helt nye materialer, komponenter og systemer med attraktive egenskaber og funktioner. Læge-midler uden bivirkninger doseret fra nanostrukturer, nye biokompatible materialer til im-plantater, optiske nanostrukturer til ultrahurtig kommunikation, biologisk produktion af materialer og nye katalysatorer til miljø- og energiteknologi er eksempler på, hvad nano-teknologi vil bringe i fremtiden. Nanoteknologi er tværfaglig og involverer fysik, kemi, biologi, molekylærbiologi, medicin og materialevidenskab. Det anses verden over for at være et uhyre vigtigt område, der vil danne basis for den næste industrielle revolution. Beherskelsen af nanoteknologi betragtes i verdens førende industrilande som en hjørnesten i bestræbelserne på at opretholde og forbedre den økonomiske og teknologiske konkurrencedygtighed i det 21. århundrede. I 2000 skrev det amerikanske forskningsråd i en rapport at: “The total societal impact of nanotechnology is expected to be much greater than that of the silicon integrated circuit, because it is applicable to many more fields than just electronics”. Af ovennævnte grunde er interessen for nanoteknologi i de senere år skærpet voldsomt i USA, Japan og i mange lande i Europa, og nanoteknologi er et af indsatsområderne i EUs kommende 6. Rammeprogram. Det er derfor helt afgørende, at der snarest iværksættes en større national satsning inden for nanoteknologi, så Danmark kan tage del i udviklingen. Den danske satsning skal sikre en fokuseret indsats inden for de områder, hvor der er en forskningsmæssig styrke og et dansk potentiale. Dette må ske gennem en emnemæssig og geografisk bred satsning, der koncentreres om de bedste større forskergrupper og de styrkeområder, der allerede findes på universiteter og sektorforskningsinstitutioner. Satsningen skal sikre en styrkelse af uddannelsen af unge mennesker med kompetencer in-den for området og at den forskningsbaserede indsats, hvor det er muligt, udnyttes i indu-strielle sammenhænge til gavn for det danske samfund. Hvis den danske satsning forskningsmæssigt skal have international gennemslagskraft og samtidigt medvirke til at sikre, at det danske industrielle potentiale udnyttes til fulde, skal satsningen være af størrelsesordenen 100 mio. kr. om året i foreløbigt 5 år.
3
Forord I Forskningsforums bidrag til indspil til finansloven 2002 "Forslag til realisering af forsk-ningsforliget" har Forskningsforum og rådssystemet foreslået en satsning på området nano-teknologi. Efter anmodning fra Forskningsstyrelsen nedsatte de relevante forskningsråd medio marts et hurtigtarbejdende udvalg, der skulle komme med en faglig rådgivning på området nanoteknologi og konkretisere det fremsendte finanslovsindspil til videre brug i det politiske system i forbindelse med forhandlinger om finansloven. Sammensætningen af udvalget er anført nedenfor og nærværende rapport er resultatet af dette udvalgsarbejde. Udvalgets medlemmer Formand Professor, dr.scient. Flemming Besenbacher (rådsmedlem i SNF) Institut for Fysik og Astronomi Aarhus Universitet Næstformand Professor, ph.d. Jens Kehlet Nørskov (rådsmedlem i STVF) Institut for Fysik Danmarks Tekniske Universitet Afdelingschef, professor, ph.d. Klaus Bechgaard Afd. for Materialers Fysik og Kemi Forskningscenter Risø Forskningsprofessor, dr. scient. Thomas Bjørnholm Institut for Kemi Københavns Universitet Professor, dr. scient. Birger Lindberg Møller Institut for Plantebiologi Den Kgl. Veterinær- og Landbohøjskole Lektor, ph.d. Niels Birger Ramsing Institut for Biologi Aarhus Universitet Sekretær for udvalget Fuldmægtig Anders Kjær Forskningsstyrelsen – SNF På grund af tidsfristen er denne rapport: ”Nanoteknologi - i en grænseløs verden” frem-sendt, uden at de fire involverede råd (SNF, STVF, SJVF og SSVF) og Forskningsforum har haft mulighed for at kommentere indholdet nærmere. Tak til følgende personer, der har leveret figurer til rapporten: Anja Boisen, Niels B. Lar-sen, Klaus Bechgaard, Don Eigler, Sergei Bozhevolnyi, Jørgen Hvam, Niels Birger Ram-sing, Birger Lindberg Møller, Jens K. Nørskov, Tejs Vegge, Jacob Schøitz, Karsten W. Jacobsen, Thomas Bjørnholm, Bjerne Clausen, Stig Helveg, Jeppe Vang Lauritsen, Morten Foss, Trolle Linderoth og Flemming Besenbacher.
4
1. Hvad er nanoteknologi?
Nano kommer af det græske ord nanos, der betyder dværg, og nano refererer således til noget småt, meget småt. En nanometer (nm) er 10–9 meter, en milliontedel af en milli-meter eller en afstand, der er ca. 100.000 gange mindre end tykkelsen af et hår. En nanometer er en typisk afstand i den atomare og molekylære verden. Alt stof er bygget op af atomer, der er naturens byggestene. Indtil for tyve år siden havde man ikke regnet med, at det ville blive muligt at ”se” de enkelte atomer, endsige flytte rundt med dem. Udviklingen af de såkaldte scanning probe mikroskoper har dog vist, at dette er muligt! Man har med disse specielle mikroskoper nået den ultimative opløsnings-evne, der gør det muligt at ”se” de enkelte atomer og mole-kyler i overfladen af et materiale, og samtidig kan man med disse specielle mikroskoper flytte rundt på atomer og mole-kyler og danne nye nano-strukturer. Det vil sige, at vi nærmer os en situation, hvor man i prin-cippet kan opbygge nye materialer atom for atom og mole-kyle for molekyle på samme måde, som man sætter legoklodser sammen.
Nanoskrifttegn Det japanske skrift-tegn (kanji) for atom er frembragt ved at flytte individuelle jern-atomer rundt på en kobberoverflade ved hjælp af et avan-ceret scanning probe (tunneling) mikro-skop.
Nanoteknologi handler altså grundlæggende om evnen til at kunne fremstille og kontrollere materialer og objekter på det atomare, molekylære og supramolekylære niveau, dvs. på na-noskalaen. Nanoteknologi vil gøre os i stand til at designe, manipulere og fremstille nye materialer, strukturer, processer og maskiner med en dimension fra 0,1 nanometer til 100 nanometer. Ved at kunne kontrollere hvor de enkelte atomer og molekyler placeres i mate-rialerne, kan man i princippet designe og konstruere nye materialer og processer med nye funktioner og nye funktionelle egenskaber, som ikke kan opnås på andre måder. En af nanoteknologiens store udfordringer er at udvikle syntesemetoder til storskala pro-duktion. Selv om man med scanning probe mikroskoper kan ”samle” nanoobjekter atom for atom, er teknikken ikke anvendelig som industriel produktionsmetode, fordi arbejdet er
5
meget tidskrævende – der er f.eks. ca. 1015 atomer pr. cm2 i overfladen af et metal. En mu-lighed er at presse kendte teknikker til det yderste. Man kan bruge elektron- eller ionstråler til at ”udskære” nanoobjekter og de litografiske teknikker, som kendes fra halvledertekno-logien, kan stadig forbedres. Inspirationen kan også hentes fra biologien. Celler er kemiske ”fabrikker”, der er organise-rede på nanoskalaen. De er ”selvorganiserende”, idet de samles ved, at molekyler kan gen-kende hinandens form og udnytte retningsbestemte bindingskræfter. Sådanne ”intelligente” molekyler med specifik form og retningsbestemte bindingskræfter kan fremstilles syntetisk eller udvindes fra naturen og organisere sig selv i f.eks. strenge, flader og kugler til nye nanoobjekter med henblik på storskala produktion. Fremtidens nanoteknologi vil således kunne udnytte de meget spændende nye landvindinger inden for molekylærbiologi, bioke-mi, fysiologi og bioinformatik. Nanoteknologi er et tværfagligt forskningsområde, der involverer fysik, kemi, biologi, mo-lekylærbiologi, medicin og materialevidenskab. Grænserne mellem disse klassiske områder forsvinder på det atomare og molekylære niveau, idet f.eks. en DNA-streng på nanoskalaen er at betragte som et stort molekyle opbygget af atomer. Forskningen inden for nanotekno-logi er i dag primært eksplorativ. En betydelig indsats inden for nanoteknologisk grund-forskning (nogle gange kaldet ”nanoscience” eller ”nanovidenskab”) er basis for nye tekniske muligheder. En effektiv udvikling af nanoteknologien forudsætter et samarbejde, hvor fysik, kemi og materialevidenskab er den ene hjørnesten og biologi og medicin den anden. Ved at udnytte lukrative grænseområder og samle kompetencer fra flere felter i forskningssystemet kan dansk forskning i nanoteknologi blive i stand til at bringe sig i front på strategiske områder. 2. Samfundsmæssige perspektiver Nanoteknologien betragtes i alle de førende industrilande som meget betydningsfuld og anses for at have så store industrielle og samfundsmæssige perspektiver, at en styrkelse af forskningen inden for dette område er uomgængelig. Danmark vil tabe betydelige skridt i udvikling og anvendelse af denne nye teknologi, såfremt der ikke foretages en særlig nati-onal satsning med det formål at styrke forskning, undervisning, uddannelse og industrielt spin-off inden for dette området. Der må satses på internationalt konkurrencedygtig forsk-ning og ikke mindst på uddannelse af en ny generation kandidater og forskere med kompe-tencer inden for et bredt felt af discipliner. Et højt uddannelsesniveau har været en hjørnesten for opbygningen af velfærdssamfundet i Danmark. En velkvalificeret og veluddannet arbejdsstyrke har i 70erne og 80erne bidraget afgørende til udbygningen af velfærdsstaten. Der er politisk enighed om, at et højt uddan-nelsesniveau er af meget stor betydning for den fortsatte udvikling af velfærden i vort sam-fund. Danmark må derfor inden for et så betydningsfuldt område som nanoteknologi styrke uddannelsesindsatsen. Samfundets evne til at frembringe og nyttiggøre ny viden er helt central for den videre ud-vikling af samfundet og grundlaget for etableringen af fremtidens arbejdspladser og pro-duktion inden for nye brancher. Hvis vi i Danmark skal opretholde vores høje levestandard, må vi satse på produkter og produktionsmetoder med et højt videnindhold. Det er afgørende, at samfundet kan frembringe og nyttiggøre ny viden, så vi ikke står som
6
tabere i forbindelse med de hastige strukturelle og teknologiske forandringer, der følger af den stigende internationale konkurrence i en stadig mere globaliseret verden. God forskning er en nøglefaktor for frembringelse og nyttiggørelse af viden og den er af afgørende betydning for et dynamisk erhvervsliv, der er på forkant med den internationale udvikling. En velfungerende produktionssektor er en betingelse for at have råd til en tids-svarende velfærdsstat. Forskning er grundlaget for teknologisk fornyelse, øget beskæftigel-se, et bedre miljø og forbedret sundhed. Det bør være en central målsætning at intensivere bestræbelserne på at skabe et fremtids-orienteret og fremtidssikret grundlag for erhvervslivet i Danmark. En større satsning inden for nanoteknologien vil udgøre et betydningsfuldt skridt i denne retning. Globaliseringen øger informationsudvekslingen og adgangen til videnskabelige resultater i andre lande, men det er langt fra tilstrækkeligt til at opretholde erhvervenes konkurrence-evne. I virksomhederne og i samfundet generelt vil der altid være behov for fremragende forskning alene med henblik på at udvikle og vedligeholde evnen til at forstå og anvende udefra kommende innovation. Danmark og danske virksomheder kan derfor ikke forlade sig på, at der i de lande, som vi normalt sammenligner os med, sker en betydelig styrkelse af forskningen inden for nano-teknologi. Hvis vi ikke selv gør en ekstraordinær indsats, vil vi tabe betydelige skridt i an-vendelsen af de videnskabelige resultater. International grundforskning er baseret på konkurrence og et ”give and get”-princip. Hvis Danmark ikke har forskergrupper, der befinder sig i den internationale forsknings superli-ga, så er Danmark ikke en interessant samarbejdspartner i det europæiske og det internati-onale forskningsrum, og dermed vil Danmark ikke få førstehåndskendskab til de seneste forskningsresultater og den nyeste teknologi. Netop samarbejdet mellem danske og uden-landske forskergrupper er en afgørende kilde til overførsel af ny viden udviklet i andre lan-de. Det er derfor vigtigt, at de eksisterende stærke nanoteknologimiljøer udbygges og styrkes, således at udenlandske forskergruppers interesse i at samarbejde med disse danske grupper intensiveres yderligere. Et af Danmarks styrkepunkter er en fremragende internationalt konkurrencedygtig grund-videnskabelig basis inden for mange forskningsdiscipliner. Netop nanoteknologien er ken-detegnet ved, at der er meget kort afstand mellem grundvidenskab og teknologi. Derfor har Danmark i princippet særdeles gode muligheder for at udnytte de nye muligheder som na-noteknologien byder. Visionen må være, at en offentligt støttet national satsning skal sikre styrkelsen af de bed-ste danske grupper inden for nanoteknologi samtidigt med, at en industriel udnyttelse sti-muleres gennem samarbejde med eksisterende industrielle styrkepositioner. Indsatsen skal endvidere virke som katalysator for etablering af nye ”op-start”-virksomheder. Den nye teknologi er velegnet til nicheproduktion, og i kombination med en effektiv offentlig forskningsindsats vil området derfor passe fremragende til de mange små og mellemstore virksomheder, som karakteriserer Danmark. Samtidig er det meget vigtigt, at uddannelse indenfor nanoteknologi på universiteterne øges på både bachelor-, kandidat- og ph.d.-niveau. Den ressource som disse unge nyud-dannede vil besidde, vil være helt afgørende for en hurtigt integration af nanoteknologi i dansk industri og i det danske samfund generelt.
7
Visioner for nanoteknologi i Danmark Nanoteknologi kommer til at påvirke alle sider af vores dagligdag. I det følgende præsente-res perspektivrige eksempler på nanoteknologisk forskning set fra en dansk synsvinkel.
På sundhedsområdet er en af visionerne at konstruere nanorobotter, der er så små, at de kan sendes ind i blodbanen, hvor de kan finde og afhjælpe sygdomme. Der er allerede nu dan-ske satsninger inden for brug af nano-emulsioner til at bringe lægemidler direkte hen til det syge væv i stedet for som nu at udsætte hele kroppen for effekterne af f.eks. kemoterapi.
Celledyrkning Figuren viser hudfibre fra et pattedyr og et plastikaftryk i nanometeropløsning. Plastikaftrykket bruges til forsøg med celledyrkning med det mål at kunne op-nå storskalaproduktion af udvalgte celletyper. Det er vigtigt at nanostrukturen gengives nøjagtigt, fordi væksten påvirkes af overfladestrukturen.
Der er også betydelig interesse for at lave bedre (mere biokompatible) implantater ved hjælp af en nanoskalabearbejdning af overfladen af det ikke-biologiske materiale, så det bedre accepteres af kroppen.
Nano-menneske Denne ”bionic man” har fået forbedret livskvaliteten ved hjælp af en række im-plantater. Man undersøger p.t. i hvilket omfang en na-nostruktur i implantaternes overflade vil sikre bedre binding af celler mm. og dermed forøge biokompati-biliteten af materialet.
8
Figuren nederst viser et scanning elektron billede af en bioprobe set fra siden bestående af to mi-krobjælker ætset ud i silicium. Den ene bjælke benyttes til at re-gistrere specifikke molekyler, mens den anden er en reference-bjælke, der benyttes til at reduce-re baggrundsstøjen i systemet.
På sundheds- og miljøområdet peger udviklingen mod helt nye typer af sensorer baserede på nanoteknologi. Et helt analyselaboratorium vil kunne integreres på en enkelt plastik-chip, der er så billig at fremstille, at den kan smides væk efter brug. I Danmark arbejdes der med biochips og DNA-chips ved en række forskningsinstitutter og firmaer. Et eksem-pel er en sensor baseret på en lille siliciumbjælke. Med en sådan vil lægen ud fra en dråbe blod på få minutter være i stand til at måle om en patient f.eks. er HIV-smittet. Kontinuer-lig måling af diabetikeres blodsukker, hurtig og effektiv kontrol af bakterier i fødevarer i alle produktionsled, hurtig og simpel analyse af genmateriale eller effektiv måling af spor-stoffer i naturen er blot nogle af de andre eksempler på anvendelsen af nanoteknologiske sensorer inden for sygdomsdiagnostik og miljø.
Mikroskopiske siliciumbjælker Væsken med DNA eller bakterier føres forbi de to mikrobjælker. Hvis molekylerne bindes til bjæl-ken (sensoren), får de denne til at bøje, og der registeres en mod-standsændring.
Inden for elektronik vil det hidtidige tempo i transistorintegration betyde, at kommercielle integrerede kredsløb i løbet af de næste 15 år vil nå dimensioner under 10 nanometer. På disse længdeskalaer bryder konventionel halvlederteknologi sammen og det vil være nød-vendigt at udvikle en teknologi, der virker efter helt andre principper. En mulighed er at opbygge de elektroniske komponenter af enkelte molekyler og basere funktionaliteten af komponenten på kvanteeffekter i disse. De fundamentale opdagelser på dette område vil formodentlig blive gjort inden for de næste ti år. Idet Danmark ikke har en ressourcestærk industri inden for forbrugerelektronik, vil anvendelserne her i landet formodentlig fortrins-vis ske i afledte nicheområder såsom sensorteknologi og optiske komponenter, tilsvarende den udvikling der er set på mikroteknologiområdet.
Nanoledning Der er et enormt potentiale i på sigt at erstatte tra-ditionel silicium elektronik med molekylær elektro-nik. Figuren viser en elektrisk nanoledning lavet af organiske polymer molekyler, der er kemisk-kodet til at samle sig selv. Billedet er taget med et scan-ning probe mikroskop. Ledningen er ca. 10 mikro-meter lang og 30 nm i tværsnit.
9
På kommunikationsområdet vil plane fotoniske kredsløb med nanostruktur, optiske fibre med ny funktionalitet og halvledernanostrukturer danne grundlag for udviklingen af ægte integreret optik og optiske chips i de kommende år. Man kan forudse en udvikling i fotonik tilsvarende den, som man har oplevet inden for elektronik i de seneste tre årtier. En dansk forskningsindsats i høj klasse kan i samarbejde med industrien skabe et nyt og stærkt for-retningsområde i Danmark med udgangspunkt i den klynge af danske industrier, der alle-rede eksisterer inden for optisk kommunikationsteknologi. Med en styrkelse af forskningsindsatsen inden for integreret optik i glas på silicium og halvledernanoteknolo-gi/-optik er der mulighed for, at Danmark kan spille en ledende rolle inden for nogle af nøgleteknologierne i fremtidens informations- og kommunikationssamfund. Særligt hybri-disering med henblik på en senere fuld integration er af betydning for en realistisk industri-el vækst på området.
Fotoniske "krystaller" Lys kan transformeres til en speciel overfla-debølge, der er bundet til en metaloverflade. Ved en periodisk strukturering af overfladen på en nanometer skala kan man styre udbre-delsen af denne overfladebølge meget præcist inden for meget små dimensioner og dermed lave "integreret optik/fotonik". Øverst vises et elektronmikroskopi billede af en struktureret guldoverflade (periode 400 nm), og nederst vises hvorledes overfladebølgen ledes igen-nem den åbne kanal i strukturen.
På det vigtige miljøområde er samfundet meget afhængig af katalysatorer, dvs. funktionel-le nanostrukturer, der er i stand til at fjerne f.eks. giftige affaldsprodukter. Et eksempel er svovl i udstødningen fra biler. Katalytisk afsvovling af olieprodukter har allerede reduceret den mængde svovl, der sendes ud i miljøet drastisk. For at mindske miljøbelastningen yderligere har EU fastsat normer, der kræver, at svovlindholdet inden 2005 skal yderligere ned til ca. en tiendedel af 1998-niveauet. Der findes i dag ikke en katalysator, der er god nok til, at dette kan lade sig gøre på en rimelig måde. De seneste forskningsresultater har vist, at man gennem design af nye nanostrukturer med forbedrede katalytiske egenskaber vil kunne løse dette problem.
Nanokatalyse Et STM billede af en ny guld-nikkel modelkatalysator til omdannelse af naturgas til brint. Med baggrund i grund-forskning er man blevet i stand til at designe nye overfla-delegeringskatalysatorer med forbedrede kemiske egen-skaber. Guldatomer (de sorte huller) er legeret ind i nik-keloverfladen, guldet modificerer de katalytiske egenska-ber af de omkringliggende nikkelatomer, som derfor afbilledes højere (gule). Guldet i nikkeloverfladen bevir-ker, at svovlet i naturgassen ikke bindes til overfladen.
På energiområdet er det ultimative mål, at al energi kommer direkte fra solen. Nanostruk-turerede materialer vil indgå i fremtidens solceller både til direkte fremstilling af elektrici-tet og til spaltning af vand til brint og ilt. Brint kan bruges som brændstof i brændselsceller i f.eks. en bil eller et villafyr. Det er det mest miljøvenlige brændstof, man kan forestille sig, men teknologien kræver en stor indsats både på genererings-, opbevarings- og omsæt-
10
ningssiden. Fremstillingen af nye nanostrukturerede materialer vil indgå som en nøgletek-nologi, hvis sådanne visioner skal realiseres. Nanostrukturerede kompositmaterialer vil og-så kunne give vigtige nye materialer, f.eks. til møllevinger.
Nanolaget på en vindmølle Det er et ønske i samfundet at bygge endnu bedre og større vindmøller. Mulighederne for at konstruere større vinger afhænger bl.a. af kompositmaterialernes styrke. Kli-stereffekten i nanolaget mellem fiber og plastik er en afgørende faktor for en for-øgelse af vingefanget.
På materialeområdet åbnes der generelt op for at designe materialer atom for atom. Det be-tyder, at vi vil blive i stand til at lave materialer, der er stærkere, mere holdbare, eller har nye, interessante magnetiske, kemiske eller elektriske egenskaber, som vi kan udnytte. Na-nostrukturerede materialer har allerede vist sig at være langt hårdere end normale materia-ler, og udviklingen af nanofasematerialer til overfladebehandling er i sin vorden. Bedre design er nøglen til mere miljøvenlige og funktionelle materialer for alle materialetyper, fra konstruktionsmaterialer til polymerer.
Nanokrystallinsk kobber Nanokrystallinske materialer, hvor de enkelte korn er i nanometerskala, er hårdere end almindelige grovkor-nede materialer. Billedet er fra en computersimulering af nanokrystallinsk kobber. Simuleringen indeholder over 1 million atomer; de hvide atomer sidder i kry-stallinsk orden, de blågrønne atomer i korngrænserne og de røde atomer viser defekter.
På planteområdet er det visionen at udvikle planter, der danner en ny type kostfibre (biopo-lymerer), der vil være designede til f.eks. at binde kræftfremkaldende stoffer i mave-/tarm-kanalen, sænke kolesteroltallet eller forhindre opståen af mavesår. Man forsøger ligeledes at udvikle fodergræsser, hvori der er indbygget enzymer, som frigives i det øjeblik foderet tygges, hvorved fordøjeligheden øges og miljøbelastningen ved den animalske produktion reduceres. Andre biopolymerer vil kunne udvindes fra planter og danne basis for udviklin-gen af helt nye, bionedbrydelige materialer til erstatning for petrokemiske produkter.
11
Modificeret pektin i en kartoffel-knold Nye typer fibre (biopolymerer) kan produceres direkte i planters cellevæg ved hjælp af nanoteknologi. Celle-væggene i en almindelig kartoffel-knold farves grønne af et antistof, der genkender en bestemt struktur i en af biopolymererne (pektin) (panel A). I de modificerede celler er denne kom-ponent fjernet ved brug af nano-teknologi (panel B). De foretagne ændringer i pektinets struktur er vist i panel C og D. Pektiner med ændret struktur kan stimulere sårhelingspro-cesser på grund af deres ændrede ev-ne til at binde vand.
På bioteknologiområdet kan helt nye "nanomaskiner" opstå på basis af en række biotekno-logiske landvindinger. Vores viden om bakteriers, svampes og planters arvemateriale stiger med eksplosiv fart, bl.a. ved hjælp af totalsekventering af deres genomer og den igangvæ-rende opklaring af de enkelte geners funktioner og regulering. Denne udvikling vil føre til stadigt mere avancerede anvendelser af bakterier, svampe og planter som små nanomaski-ner, der er designede eller modificerede til at danne, styre, kontrollere og reparere stoffer, biopolymerer, overflader og objekter af nanostørrelse. Således bruges bakterier i dag som miljøvenlige alternativer til at fjerne gammel maling på amerikanske militærfly og til at nedbryde kontaminerede betongulve i atomkraftværker.
En bakteriecelle på nanoskalaen Et ultra-mikroskopi billede af en bakteriecel-le, naturens nanomaskine. Komplet design med styresystem, motorer, fabrikker og sen-sorer til fjernstyring via signalstoffer.
Der venter uden tvivl en lang række andre spændende opdagelser på nanoniveau, som vil få uforudsete praktiske anvendelser.
12
3. Internationale satsninger Interessen omkring nanoteknologi og nanovidenskab er i de senere år blevet skærpet vold-somt i USA, Japan og mange steder i Europa og Asien. Interessen er båret af forventninger om betydelige økonomiske og velfærdsmæssige afkast fra udviklingen og anvendelsen af disse banebrydende teknologier. USA I USA er der på denne baggrund sket en voldsom forøgelse i støtten til forskning i nano-teknologier inden for flere felter. Clinton forøgede budgetterne i finansåret 2001 til det dobbelte af året før, således at den samlede offentlige satsning på nanoteknologi er ca. 4,3 mia. kr. i budgetåret 2001. En investering der er 5 gange større end den samlede europæi-ske.1 Industriens forskning i USA inden for området udføres hovedsageligt af store multinationale selskaber som IBM, Xerox, Eastman-Kodak, Motorola, Texas Instruments m.fl. Computer- og elektronikvirksomheder allokerer i USA op til halvdelen af deres forsknings-midler til nanoteknologirelateret forskning.2 Hewlett Packard afsatte i 1997 eksempelvis 50% af deres midler til langsigtede forskning i nanoteknologi. En lang række nanoteknologiske resultater er allerede anvendt kommercielt i USA. Det gælder inden for keramik, metaller, polymeriske nanopartikler, nanostrukturerede legerin-ger, kosmetik og elektroniske komponenter. Eksempelvis anvender Kodak nanolag med udvalgte optiske barrierer i 90% af deres grafiske sort/hvid film, og ligeledes for visse op-tiske og infrarøde filtre, hvilket udgør en milliard forretning. Andre eksempler på praktisk anvendelse af nanoteknologien i industriel udvikling og fremstilling er glatte, hårde over-flader (coatings), drug delivery med nanopartikler, avanceret laserteknologi m.m. Japan Særligt i Japan og andre asiatiske lande satses med meget store investeringer på nanoteknologiområdet. Det er investeringer, som allerede på en række områder har givet afkast i form af et regulært marked for eksempelvis mikromaskiner. Regeringen og de store virksomheder er i Japan de primære drivkræfter i nanoteknologisk forskning. Mindre og små virksomheder spiller ikke nogen særlig rolle i hverken Japan el-ler USA, hvilket understreger behovet for en særlig indsats i Danmark, hvor hovedparten af virksomhederne er små og mellemstore. De japanske forskningsråd, erhvervsministeriet og forskningsministeriet allokerede i 1996 ca. 1 mia. kr. til forskning inden for området. Forskningen accelereres yderligere af de sto-re forsknings- og udviklingsintensive virksomheder som Hitachi, NEC, Sony, Fuji m.fl., der afsætter enorme beløb til forskning og udvikling inden for nanoteknologi. England I 1996 foretog det britiske parlaments forskningsudvalg, som opfølgning på et større nano-teknologiprogram, en meget grundig undersøgelse af nanoteknologiens samfundsmæssige og økonomiske perspektiver.3 Rapporten ledte frem til en betydelig styrkelse af forsknin-gen inden for nanoteknologi og etableringen af et nanoteknologisk institut, der udgør sam-
1 Kommissionens forslag til rådet og parlamentets afgørelse om 6. rammeprogram. Dateret 21.2.2001. 2 WTEC, Nanostructure Science and Technology, chapter 8, pp.2 3 Parliamentary Office of Science and Technology, Report Summary 86, Nov. 1996.
13
lingspunktet i et offentligt/privat forskningssamarbejde. I dag forskes der i nanoteknologi på en lang række af de bedste universiteter i Storbritannien. Nanoteknologien er prioriteret højt i regeringens forskningspolitik med tilførsel af yderli-gere midler i 2001-2004. Der satses på det sundhedsvidenskabelige (nanomedicin) og det bioteknologiske område samt inden for materialeforskning. Endvidere er der afsat midler til et program kaldet ”Basic Technology”, der omfatter udvikling af nanoteknologiske me-toder.4 Det skal endvidere bemærkes, at eksempelvis universiteterne i Leeds og Sheffield i samar-bejder om at udbyde master-uddannelser, kurser m.m. inden for nanoteknologi. Blandt de nanoteknologiske virksomheder findes navne som Nanolab Inc., Zyvex og Na-nomagnetics, der har etableret sig inden for de seneste 2-3 år. Virksomhederne tilbyder ud-viklingsarbejde inden for nanoteknologien. Tyskland I Tyskland satses meget hårdt på nanoteknologien, idet der er oprettet ikke mindre end 6 kompetencecentre for nanoteknologi. Centrene har succes med at anvende nanoteknologi i samarbejde med industrien, og der er i Tyskland allerede en del private virksomheder, der har specialiseret sig i forsknings- og udviklingsopgaver ved hjælp af nanoteknologi, ek-sempelvis Nanogate GmbH. Herudover kan det nævnes, at man i Tyskland har iværksat et såkaldt Wolfgang-Paul-program, der sigter på at tiltrække udenlandske forskere inden for nanoteknologi til Tysk-land. Hvis anerkendte forskere har interesse i at etablere nanoteknologimiljøer i Tyskland, tilbydes de attraktive stillinger og vil kunne opnå tilskud på op til ca. 18 mio. kr. Det skønnes, at det tyske forskningsministerium allerede i 1997 anvendte omkring 425 mio. kr. om året inden for området, et beløb som er steget til 550 mio. kr. i 2000. Frankrig I 1999 blev der i Frankrig dannet et såkaldt nanonetværk, som havde til opgave at formidle samarbejde mellem forskningsmiljøer inden for nanoteknologi og fransk industri. I maj 2000 blev der etableret 5 hovedcentre inden for teknologisk forskning, herunder et særligt nationalt kompetencecenter inden for mikro- og nanoteknologi i Grenoble. EU og det 6. Rammeprogram I det 6. Rammeprogram er der afsat ca. 10 mia. kr. til en særligt styrket indsats inden for nanoteknologi, intelligente materialer og nye produktionsprocesser. De påtænkte indsats-områder inden for nanoteknologi er: • langsigtet, tværfaglig forskning med det formål at forstå fænomenerne, beherske pro-
cesserne og udvikle forskningsredskaber • supramolekylære strukturer og makromolekyler • nanobioteknologi • konstruktionsteknik i nanometerskala til materiale- og komponentfremstilling • udvikling af udstyr og instrumenter til manipulering og kontrol • anvendelse på områder som sundhed, kemi, energi, optik og miljø
4 OST, Science and research priorities 2001-02 to 2003-04.
14
Det overordnede formål med at afsætte midler til nanoteknologien er at sikre, at Europa tilvejebringer den kritiske masse af ressourcer, som navnligt skal sikre optimeringen af økoeffektivitet ved at udvikle og udnytte den mest avancerede teknologi. Herved skabes grundlaget for fremtidens viden- og intelligensbaserede produkter, tjenesteydelser og frem-stillingsprocesser.
Det estimeres, at den europæiske fremstillingsindustri i dag producerer varer og tjeneste-ydelser for en værdi af omkring 30.000 milliarder kr. om året. På et verdensmarked med stadigt skarpere konkurrence er industrien tvunget til at fastholde og styrke sin konkurren-ceevne samtidig med, at virksomhederne lever op til kravene om bæredygtig udvikling. Men det forudsætter en intens indsats for til stadighed at klargøre, videreudvikle og sprede avanceret teknologi: nanoteknologi, videnbaserede materialer, nye produktionsprocesser.
Ovenstående illustrerer med al tydelighed den betydning nanoteknologisk forskning til-lægges af regeringer og industri i de førende industrilande. 4. Nanoteknologisk forskning og uddannelse i Danmark Danmark er godt rustet til en national satsning på nanoteknologiområdet, idet der allerede findes flere stærke forskningsmiljøer med igangværende forskningsaktiviteter af høj inter-national standard. Forskningen i nanoteknologi er de seneste år blevet styrket i kraft af fle-re nye aktiviteter. De danske nanoteknologiaktiviteter er som oftest udsprunget af fysik- og kemimiljøerne ved de danske universiteter og sektorforskningsinstitutioner, og det forsk-ningsmæssige tyngdepunkt ligger stadig her. Ved Aarhus Universitet, Københavns Universitet, Danmarks Tekniske Universitet (herun-der MIC, COM og Polymercenteret) og på Forskningscenter Risø er der de sidste ti år, med udgangspunkt i miljøerne inden for overfladefysik, halvlederfysik, kemi, biokemi, mikro-teknologi og materialeforskning, opbygget større aktiviteter. Disse nanoteknologiske akti-viteter har gennem 90erne fået støtte fra bl.a. Danmarks Grundforskningsfond ved oprettelsen af et center inden for nanoteknologi, gennem større rammebevillinger m.v. fra de danske forskningsråd og fra materialeforskningsprogrammerne. På det biologiske område er der på Den Kgl. Veterinær- og Landbohøjskole tilsvarende stærke forskergrupper, hvor nanoteknologi indgår som et forskningsområde. Disse aktivite-ter støttes ligeledes af Danmarks Grundforskningsfond, de danske forskningsråd og bio-teknologiprogrammer. I Ålborg og Odense er stærke forskningsmiljøer under opbygning. I Odense starter to nye grundforskningscentre inden for hhv. bioorganisk kemi og membraners biofysik; begge centre har en nanoteknologisk komponent. Studier af membranbundne receptorer, ionkana-ler, DNA-chips, biomolekylær genkendelse m.v. er ligeledes eksempler på aktive biologi-ske forskningsområder i Danmark med stigende nanoteknologisk aktivitet. Københavns Universitet, Aarhus Universitet og Danmarks Tekniske Universitet tilbyder fra 2002 uddannelser i nanoteknologi. En række større og mindre danske virksomheder arbejder tæt sammen med forskningsmil-jøerne, specielt inden for katalyse og biologisk relateret mikro- og nanoteknologi, og på flere virksomheder er der spirende aktivitet med hensyn til teknologioverførsel til nye ”op-start” firmaer inden for nanoteknologi.
15
De faglige tyngdepunkter på området ligger i dag inden for: • anvendelse af avancerede beregningsmetoder og ny teori til forståelse af nano-
arkitekturers struktur og funktion • udvikling og anvendelse af scanning probe teknikker til studier af kemiske reaktioner
på nanoskala og som sensorer • anvendelse af synkrotronstråling og neutronstråling til bestemmelse af nanoarkitektu-
rers struktur • anvendelse af bl.a. molekylstråleepitaksi til fremstilling af elektroniske, optiske og
magnetiske nanostrukturer • syntese af supramolekylære nanostrukturer ved selvsamling (”self-assembly”) i opløs-
ninger på overflader og i bulk materialer. De samlede danske forskningsaktiviteter er meget flot repræsenteret og er særdeles kon-kurrencedygtige i forbindelse med ekstern finansiering fra EU-programmerne. Danmark har således et forskningsmæssigt volumen og en fremragende forskningsmæssig basis og potentiale, der gør at det fornuftigt at investere i området nanoteknologi. 5. Mål for national satsning Nanoteknologien åbner op for en enorm vifte af muligheder fra nye elektronikprodukter over forbedret sundhedsteknologi til mere miljørigtig energiteknologi. Det skal sikres, at disse muligheder dækkes på en for Danmark hensigtsmæssig måde. Det betyder, at forsk-ningen skal have faglig bredde samtidig med, at den må fokuseres under hensyn til, hvor Danmark har forskningsmæssig styrke, og muligheder for anvendelser på kort eller langt sigt. En dansk satsning skal sikre, at det danske samfund kan udnytte de nye muligheder for vel-færdsskabelse, som nanoteknologien vil give. For at opnå denne målsætning må en sådan satsning indeholde følgende elementer: • dansk forskning skal være i front internationalt inden for flere felter på dette interdisci-
plinære område; kun på den måde sikres en internationalt konkurrencedygtig indsats • danske virksomheder og offentlige selskaber skal bringes i en situation, hvor de kan
udnytte de nye forskningsmæssige landvindinger inden for nanoteknologi • der skal uddannes nye kandidater og ph.d.-er med indsigt i nanoteknologi, som kan vir-
ke som katalysatorer i forbindelse med videnoverførsel til det danske samfund. Den internationale forskning inden for nanoteknologi er i rivende udvikling. For at Dan-mark kan følge med i denne udvikling, er det afgørende at udnytte og styrke de internatio-nalt konkurrencedygtige forskningsaktiviteter, der allerede findes i landet. Specielt bør de investeringer, der er lavet eller er planlagt, f.eks. til renrumsfaciliteter, udnyttes. Nye produkter baseret på nanoteknologi er endnu i sin vorden. Det betyder, at en stor del af forsknings- og udviklingsindsatsen er eksplorativ og at antallet af virksomheder, som i dag
16
bevidst bruger nanoteknologi, er begrænset. Den amerikanske forbundsregering anfører som argument for den ekstraordinært store satsning på nanoteknologi, at den private sektor ikke for alvor investerer i nanoteknologisk forskning før produkter er 3-5 år fra at kunne kommercialiseres. Dette forhold bevirker et meget betydeligt investeringsunderskud i forskning på området. Netop derfor er det helt afgørende at det offentlige yder en speciel indsats m.h.t. investering i grundlæggende forskning i nanoteknologi.
Dansk erhvervsliv har en struktur, hvor selv de største virksomheder ofte satser på niche-produktioner med stort videnindhold i produkterne. En vigtig rolle for en ny dansk satsning inden for nanoteknologi vil være at udvikle strukturer og mekanismer, der sikrer en kob-ling mellem forskningsmiljøerne og industrien, for eksempel i form af projektsamarbejder. Der skal også sikres et grundlag for at danne nye ”op-start”-firmaer. I forbindelse med oprustningen af det danske samfund inden for nanoteknologi er det afgø-rende, at der uddannes en ny generation af tværfagligt orienterede unge med den fornødne specialviden, der kan være katalysatorer for at få nanoteknologi sat på dagsordenen i dansk industri. Kandidatuddannelserne inden for ingeniørvidenskab, fysik-kemi og dele af biovi-denskaberne skal have en komponent inden for nanoteknologi, og specielt bør der satses på at uddanne ph.d.-er med en nanoteknologisk profil. Satsningen skal derfor være geografisk afbalanceret; kun derved kan et tilstrækkeligt volumen af studerende få en forskningsbase-ret undervisning inden for området. Det er dog en helt naturlige forudsætning, at internati-onal konkurrenceevne kræver miljøer af faglig styrke med et potentiale for fornyelse og med en størrelse, som gør satsningen klart synlig uden for landets grænser. Traditionelle institutionelle barrierer må ikke stille sig hindrende i vejen for realiseringen af nye effektive strukturer på området, hvor en kompetent, visionær og risikovillig forsk-ningsledelse er nødvendig. Nanoteknologi har fået støtte gennem forskningsrådenes fonds-funktion og gennem materialeprogrammerne. Grundlaget for en mere effektiv struktur inden for nanoteknologi i Danmark skal lægges nu. Satsningen skal udmønte sig på en må-de, så både forskningskvalitet, tværfaglighed, uddannelse og teknologioverførsel sikres på bedst mulig måde. Det vil kræve fleksibilitet fra alle aktører, således at området nu kan få det løft, som det fortjener og som samfundet efterspørger. Det er vigtigt, at undervisningssektoren i bredeste forstand, ikke mindst gymnasier, HTX og folkeskoler, får indblik i den nanoteknologiske verden. Netop dette område er velegnet til at fange interessen hos unge i kraft af sine visioner og originale løsningsmodeller. Om-rådets tværfaglige bredde kan også være interessant for en større kreds af unge. Unge men-nesker med kompetence inden for nanoteknologi vil blive efterspurgte i den industrielle revolution, som nanoteknologien vil skabe. En lang række forskningsinstitutioner har i de senere år omprioriteret ressourcer til fordel for forskning i nanoteknologi og der satses seriøst på at udvikle nanoteknologimiljøer. Det vil ikke være muligt at videreføre denne udvikling til et niveau, hvor Danmark er på højde med de lande, som vi normalt ønsker at sammenligne os med, ved yderligere ompriorite-ringer inden for de eksisterende bevillinger. Gennem nye bevillinger og kraftig prioritering må man i konkurrence udvælge nogle miljøer, der kan give den danske satsning den nød-vendige bredde, internationale konkurrencedygtighed samt evne til nyttiggørelse i det dan-ske samfund. En dansk satsning inden for nanoteknologi vil kræve et beløb af størrelsesordenen 100 mio. kr. årligt, hvis en sådan investering skal have international gennemslagskraft og samtidigt medvirke til at sikre udnyttelsen af det betydelige industrielle potentiale, som visionerne
17
for området tilsiger. Beløbet på de 100 mio. kr. årligt kan bringe Danmark på omgangshøj-de med de lande, som vi normalt ønsker at sammenligne os med. Beløbet skal ses i per-spektiv af, at en satsning som for eksempel Mikroelektronik Centret (MIC) årligt har en omsætning på ca. 50 mio. kr., hvoraf ca. 60% gives i form af en basisbevilling, og MIC har haft en startinvestering i infrastruktur (renrum og mikrolitografisk udstyr) på ca. 110 mio. kr. Det skal i denne sammenhæng påpeges, at området nanoteknologi kræver en større grad af grundforskning, før de teknologiske muligheder er udkrystalliserede, samtidig med at nanoområdet omfatter en bredere vifte af emner og anvendelsesmuligheder.
18
Appendix A. Danske nanoteknologiske forskningsmiljøer Dansk nanoteknologisk forskning er fordelt på følgende institutioner: Aarhus Universitet (AU) Større aktiviteter: Grundforskningscenteret CAMP, Institut for Fysik og Astronomi. Videnskabelige områder: • scanning-probe (STM, AFM)-studier af nanostrukturer • nanokatalyse, supramolekylær nanoteknologi • biokompatible materialer, soft matters nanofysik/kemi • halvleder nanostrukturer, nanofasematerialer, tyndfilmstrukturer Større eksterne bevillinger: Danmarks Grundforskningsfond (CAMP), Materialeforsk-ningsprogrammet, SNFs Stenostipendier, STVF-talentprojekter og EU-programmer (Bot-tom Up Nanomachines, Nanocatalysis, Atom Manipulation, Marie Curie). Københavns Universitet (KU) Større aktiviteter: Nano-Science Centret, H. C. Ørsted Instituttet Videnskabelige områder: • nanotubes og MBE-dyrkede halvledere til spintronik & nanoelektronik • supramolekylær grænsefladekemi til ”self-assembly” af elektroniske nanostrukturer • nanostrukturerede polymermaterialer & nanostrukturerede sensorer • studier af nanostrukturer med synkrotronstråling Større eksterne bevillinger: Materialeforskningsprogrammet, STVF rammeprogrammer & talentprojekter, EU-programmer (SAWPHOTON, NANOMOL, DISCEL, Nanopart og ICELL). Danmarks Tekniske Universitet (DTU) Større aktiviteter: Grundforskningscenteret CAMP, Institut for Fysik, Katalysecenteret ICAT. Videnskabelige områder: • materialedesign på atomart niveau, nanofasematerialer, nano-elektronik • katalysatorer, enzym-inspirerede katalytiske processer • magnetiske nanopartikler, tyndfilmstrukturer • soft matters nanofysik, biologiske makromolekyler, elektrokemisk STM Større eksterne bevillinger: Danmarks Grundforskningsfond (CAMP), kemiprogrammet (ICAT), Materialeforskningsprogrammet, STVF-rammeprogrammer og EU-programmer (Marie Curie).
Syddansk Universitet (SDU) • supramolekylær kemi • DNA-baseret nanoscience • scanning (kraft) probe mikroskopi på makromolekyler Større eksterne bevillinger: Danmarks Grundforskningsfond (Bioorganisk DNA-kemi, MEMPHYS (membraners biofysik) og EU-programmer.
19
Den Kgl. Veterinær- og Landbohøjskole (KVL) Videnskabelige områder: • molekylær farming af nye fibre (biopolymerer) • sammenhæng mellem biopolymerers struktur og funktionelle egenskaber • proteiners selvassociering i relation til neurologiske sygdomme • nanostrukturer og biologisk funktion Større eksterne bevillinger: Danmarks Grundforskningsfond (PlaCe, CEP), EFS, SJVF, SNF, STVF, NKJ og EU-programmer (Marie Curie). Ålborg Universitet (AAU) • AFM-studier af lipidoverflader • bioteknologi Større eksterne bevillinger: SNF, STVF og EU-programmer. Forskningscenter Risø Videnskabelige områder: • strukturkarakterisering af overflader og bulkmaterialer • syntese af makromolekyler og nanostrukturerede materialer • anvendelse af nanoobjekter til optiske og elektroniske formål • identifikation og funktion af nanoskopiske biostrukturer Større eksterne bevillinger: Materialeforskningsprogrammet, Danmarks Grundforsknings-fond, Energistyrelsen, SNF, STVF og EU-programmer.
Dansk Polymercenter Videnskabelige områder: • samspil mellem topologisk nanostrukturering og molekylær selvorganisering af poly-
mermaterialer. • sprøjtestøbte nanostruktur replica af biologiske strukturer • nanofibre – elektrospinning af polymermaterialer • nanostrukturerede materialer Større eksterne bevillinger: Materialeforskningsprogrammet, EU-programmer og STVF-talentprojeker. Mikroelektronik Centret (MIC) Videnskabelige områder: • molekylær elektronik • bioprober • nanohånd • bioarrays Større eksterne bevillinger: Materialeforskningsprogrammet, STVF-talentprojekter og EU-programmer (SISYBON, SANEME, ATOMS, NANOMASS).
20
Center for Communication, Optics, and Materials (COM) Videnskabelige områder: • elektroniske egenskaber af halvledernanostrukturer (kvantebrønde, kvantetråde og
kvantepunkter) • nye laserforstærkere til optisk kommunikation • optiske nanostrukturer til fotoniske bånd gap materialer Større eksterne bevillinger: Materialeforskningsprogrammet og EU-programmer (DOT-COM, PICCO). Dansk Institut for Fundamental Metrologi (DFM) Videnskabeligt område: • scanning probe (STM, AFM) måling af overfladeruhed • adsorption og desorption af molekyler på overflader • scanning (kraft) probe mikroskopi på makromolekyler Større eksterne bevillinger: Erhvervsfremmestyrelsen COMF og EU-programmer (Transfer standards for SPM, SURFSTAND, European society for precision engineering and nano-technology).
21
Appendix B: Eksempler på danske virksomheder hvor nanoteknologi er på vej ind • ADC • Chempaq • Crystal Fibers • Control Vision Systems • Copenhagen Applied Research • Danfoss Corporate Venture • DME • Exiqon • Foss Electric • GIGA • Haldor Topsøe • IONAS • Image Metrology • Lucent Technologies Denmark • Lundbeck • NKT • Novo-Nordisk • Novozymes • Radiometer • Scandinavian Micro Biodevices • Sophion • Thorion Diagnostics • Topsil • Xenogenix Omkring de danske universiteter er der endvidere et stigende antal udviklingsselskaber med nye produkter, der er baseret på nanoteknologisk ekspertise.