Funksjonelle materialer har virket forl?sende p? mange teknologiske gjennombrudd de siste ti?rene. Datamaskiner, mobiltelefoner, CD-spillere, solcellepaneler, brenselceller - de er alle avhengige av funksjonelle materialer for ? virke. Og forskerne er samstemmige og uten fnugg av tvil: i ?rene som kommer, vil utviklingen av nye funksjonelle materialer gi verden nye teknologiske gjennombrudd. For vi kommer ikke til ? n?ye oss med de materialene som Moder Jord har skjenket oss mer eller mindre direkte. V?rt h?yteknologiske samfunn vil tvert imot i stadig st?rre grad preges av funksjonelle materialer - materialer vi selv har designet, ofte ned til atomniv?.
Nasjonal storsatsing p? funksjonelle materialer
150 millioner kroner hvert ?r i ti ?r framover skal heve forskningen p? funksjonelle materialer i Norge til h?yt internasjonalt niv?.
De fleste industriland setter av betydelige midler til forskning og utdanning innen funksjonelle materialer. N? ?nsker de sentrale naturvitenskapelige institusjonene i Norge at vi gj?r det samme. Universitetet i Oslo, Norges teknisk-naturvitenskapelige universitet, SINTEF og Institutt for energiteknikk planlegger ? inng? et omfattende forsknings澳门葡京手机版app下载.
Den nasjonale planen for forskning innen funksjonelle materialer og nanoteknologi har f?tt navnet FUNMAT. Satsingen inneb?rer blant annet at det bygges nye felles forskningslaboratorier, at materialvitenskapelige basisfag, fysikk og kjemi, styrkes og at det etableres nye tverrfaglige forskningsprogrammer.
Planen legger opp til satsing innen omr?der der de norske forskningsmilj?ene har spesiell kompetanse og der Norge har nasjonale fortrinn. Det betyr blant annet at FUNMAT skal v?re en p?driver innen utviklingen av materialer for ny b?rekraftig energiteknologi og milj?vennlig prosessteknologi. 澳门葡京手机版app下载s澳门葡京手机版app下载et skal ogs? bidra til at det utvikles nye materialer for framtidens IKT-systemer og materialer som kan brukes i medisin og bioteknologi. Planen legger opp til et tett 澳门葡京手机版app下载 med ledende milj?er internasjonalt.
Styringsgruppen for Universitetet i Oslos forskning innen funksjonelle materialer foresl?r ? bruke 150 millioner kroner hvert ?r de neste ti ?rene p? denne satsingen. For ikke ? tape ytterligere terreng til den internasjonale forskningsfronten, mener styringsgruppen at FUNMAT b?r komme i gang i 2002. Realiseringen av FUNMATs visjoner om forskning med kvalitet, omfang og konkurransedyktighet p? internasjonalt niv?, forutsetter en sterk offentlig finansiering, p?peker styringsgruppen.
Norsk n?ringsliv har i liten grad maktet ? utnytte det store potensialet for verdiskaping knyttet til funksjonelle materialer. I dag er det bare et f?tall norske bedrifter som er i stand til ? utvikle egen salgbar teknologi p? dette omr?det. FUNMAT vil s?ke ? 澳门葡京手机版app下载e med n?ringslivet for ? introdusere nanoteknologi og nye funksjonelle materialer i norsk industri.
Hva er et materiale?
I Norge har det v?rt forsket relativt lite p? funksjonelle materialer, sammenliknet med de fleste andre industrialiserte land. Men noen milj?er finnes det ogs? her til lands, og flere av disse er i forskningsfronten internasjonalt. Senter for materialvitenskap ved Universitetet i Oslo har en stor del av sine aktiviteter og avanserte laboratorier i 澳门葡京手机版app下载sparken – her arbeider og studerer om lag 40 personer fra Fysisk institutt og Kjemisk institutt. Professor Truls Norby er kjemiker og har arbeidet ved senteret siden det ble etablert i 1990. Hva er egentlig et materiale?
MOBIL TEKNOLOGI: Utviklingen g?r i eksplosiv fart mot "mindre, lettere, raskere og renere". Funksjonelle materialer spiller allerede en viktig rolle i utviklingen av teknologi som vi omgir oss med i hverdagen. Foto (montasje): St?le Skogstad (?)
– Et materiale er ganske enkelt et fast stoff som kan brukes til noe nyttig. St?l, aluminium, betong og plast er eksempler p? s?kalte strukturelle materialer, eller konstruksjonsmaterialer. I Norge har vi lange tradisjoner for ? utnytte v?r gode tilgang p? r?stoffer og energi. Vi har utvunnet malm og framstilt metaller, legeringer og ildfastmaterialer.
Norby hevder at vi vil komme til ? se at ulike grupper av materialer vil bli brukt og utviklet side om side i et stadig ?kende mangfold.
– Men det er f?rst og fremst de funksjonelle materialene som vil st? for de fleste nyvinningene i ?rene som kommer, sier han.
Fantastiske egenskaper
For de strukturelle materialene - konstruksjonsmaterialene - er det mest de mekaniske egenskapene vi utnytter. Funksjonelle materialer, p? den annen side, har bestemte fysikalske egenskaper - i hovedsak elektriske, optiske, magnetiske og kjemiske egenskaper - som kan utnyttes til et mylder av ulike form?l.
– V?r tids funksjonelle materiale par excellence er silisium som har banet veien for data- og kommunikasjonsteknologien, sier Norby.
Silisium er en s?kalt halvleder: det kan b?de lede og stoppe str?m. Det er denne egenskapen som benyttes i elektroniske kretser.
Utviklingen av funksjonelle materialer vil komme til ? s?rge for enda kraftigere datamaskiner og datalagringsmedier, bedre skjermteknologi og ?kt batterikapasitet p? mobilt utstyr. Og disse materialene vil gi oss elektrisitet fra fornybare, rene energikilder, ny milj?teknologi, ?kt sikkerhet p? veiene og mikrosystemer for dosering av legemidler implantert i kroppen. For ? nevne noe.
Eksempler p? funksjonelle materialer er s?kalte hurtige ioneledere, halvledere, superledere, optiske og magnetiske materialer, fosforer og katalysatorer.
– Nesten all teknologisk utvikling i dag er knyttet til nye funksjonelle materialer, sier Norby. Fjor?rets nobelpriser i kjemi og fysikk gikk begge til materialforskere.
– Materialvitenskapen har som m?l ? forst? sammenhengene mellom materialenes struktur og sammensetning og deres egenskaper. N?r vi vet hvordan materialene er bygd opp atom for atom og n?r vi kan konstruere og manipulere p? atomniv?, er det mulig ? skreddersy materialer og overflater slik at de f?r n?yaktig de egenskapene vi ?nsker oss. Med andre ord kan vi utvikle nye materialer p? en intelligent m?te, uten pr?ving og feiling, p?peker Norby.
Ytterst avansert "keramikk"
I l?pet av de siste ti?rene er det utviklet en stor klasse s?kalte nye funksjonelle eller avanserte keramer med mange spesielle elektriske, optiske og magnetiske egenskaper.
Keram kommer av det greske ordet for leire. Faglig sett brukes ordet i dag som samlebetegnelse p? uorganiske faste forbindelser. Tradisjonelle keramer, som takstein, fliser og porselen, lages gjerne ved ? brenne leire og andre naturlige r?stoffer. De best?r oftest av et utall forskjellige faser – et konglomerat av forskjellige forbindelser og strukturer. Funksjonelle, avanserte keramer er ofte forbindelser med flere grunnstoffer, men oftest bare én fase; p? den m?ten rendyrkes den egenskapen man ?nsker ? utnytte. Mange avanserte keramer er metalloksider (forbindelser mellom metall og oksygen), karbider (forbindelser med karbon) og nitrider (forbindelser med nitrogen).
REN ENERGI: Denne bilen kan du kj?pe allerede i dag som leket?ysbyggesett: Solcellepanelet omdanner sollys til elektrisitet. Sollys og rent vann p? tanken - Rent vann som eksos! Foto (montasje): St?le Skogstad (?)
– I 1990-?rene er det framfor alt de funksjonelle avanserte oksid-keramene som har v?rt gjenstand for forskernes oppmerksomhet. Disse har ofte overraskende, spektakul?re og h?yst utnyttbare egenskaper over et stort register. Slike materialer kan brukes i lasere, som superledere og i nye lagringsmedier for digital informasjon, forteller Norby.
Superledere transporterer str?m uten motstand ved lave temperaturer, slik at elektrisk energi kan overf?res uten tap over lange avstander. Koblingen mellom str?m og magnetfelt i slike superledere gj?r at de ogs? kan brukes til ? lage sv?rt kraftige magneter. Disse kan utnyttes i avansert medisinsk utrustning og kanskje i svevetog og andre friksjonsfrie transportmidler i framtiden. Andre oksid-keramer har egenskaper som gj?r dem godt egnet til sensorer i ulike instrumenter. En sensor endrer en av sin egenskaper ved en ytre p?virkning.
– Framstillingen av materialene har ofte avgj?rende innflytelse p? materialenes mikrostruktur og derved mange av egenskapene. Med mikrostruktur menes hvordan atomene er ordnet, men ogs? hvordan for eksempel korn, korngrenser og porer foreligger i stoffet. Det er dessuten ofte vanskeligere ? kontrollere de mekaniske egenskapene hos de avanserte keramene sammenliknet med andre materialer. Derfor er det store utfordringer knyttet til fabrikasjon av komponenter, understreker Norby.
Kan l?se milj?- og energikrisen
Fossilt brensel, basert p? olje og kull, frigj?r CO2 i et omfang som atmosf?ren kanskje ikke t?ler. Det synes ? v?re bred enighet blant klimaforskerne om at kraftige kutt m? til for ? stabilisere mengden drivhusgasser i atmosf?ren. Det er derfor n?dvendig med ?kt bruk av fornybare energikilder og milj?vennlig utnyttelse av fossilt brensel.
Bilen fullpakket I l?pet av de siste to ti?rene har bilen g?tt over fra ? v?re en rent mekanisk innretning til ? bli mer og mer fullpakket av funksjonelle materialer. Dagens biler har blant annet elektronisk kontroll av motoren og et raskt ?kende antall sensorer i tilknytning til motor, hjul og bremser.
– Materialvitenskapen vil kunne l?se milj?- og energikrisen. Nye, avanserte materialer for produksjon av energi i solceller, samt for lagring, transport og omvandling av energi, er avgj?rende, sier Norby.
Solenergi kan omdannes direkte til elektrisk energi i solceller. Til dette form?let er silisium det viktigste materialet i dag. Ved hjelp av denne "rene" elektrisiteten og rent vann er det mulig ? produsere hydrogen, som s? kan lagres og transporteres og ved behov gi "ren" elektrisitet tilbake ved bruk av en brenselcelle.
– Det vil trolig ta mange ti?r ? utvikle denne teknologien. Det er derfor uhyre viktig ? komme i gang – vi har et kappl?p ? vinne b?de med hensyn til de fossile ressursene, klimaet p? jorden og Norges rolle. V?r vannkraft, olje og gass er en sovepute og v?r rikdom tilsynelatende et hinder for ? utdanne oss og forske innen materialteknologi og alternativ energi. Som styrtrik olje- og gassnasjon burde vi i det minste se v?rt moralske ansvar for ? gj?re en innsats for klimaet og energisituasjonen globalt, sier Norby.
Hydrogensamfunnet Vi kjenner betegnelsen "IT-samfunnet" og "kunnskapssamfunnet". Forskerne tror at vi om et kvart ?rhundre er p? god vei mot et samfunn drevet p? hydrogen og elektrisitet, nemlig det s?kalte hydrogensamfunnet . Fordi hydrogen har et h?yt energiinnhold og lav vekt, vil hydrogen om noen ?r komme til ? bli et sv?rt viktig alternativ til de fossile brennstoffene. N?r hydrogen brenner, dannes det nemlig ikke CO2, men vann. De st?rste utfordringene for forskerne er ? finne fram til materialer med st?rre lagringskapasitet for hydrogen enn de som er kjent i dag. Funksjonelle materialer spiller en avgj?rende rolle n?r hydrogenet skal produseres, som lager for hydrogen og i brenselceller for omdanning av hydrogen til elektrisk energi.
– N?r de fornybare energikildene tas i bruk, er lagring i form av hydrogen trolig den mest reelle mulighet. I mellomtiden m? vi satse sterkt p? ? utvikle materialer der hydrogen kan lagres i fast form - dette vil bli sikrere og mer effektivt enn lagring som flytende eller gassformig hydrogen. Materialforskere ved UiO og Institutt for energiteknikk er verdensledende p? utvikling av nye metallhydrider til dette form?let, forteller Norby.
Sammen med norsk industri, Norges teknisk-naturvitenskapelige universitet og SINTEF arbeider milj?er ved Kjemisk institutt ved UiO ogs? med membraner for oksygenseparasjon. Gjennom disse kan oksygen bevege seg, men ikke nitrogen.
– Dette gir en ny m?te ? skille ut oksygen fra luft p?. Hvis dette oksygenet brukes til forbrenning av olje og gass i kraftverk eller i biler, unng?r vi ? f? luftens nitrogen i avgassene. CO2 kommer da ut som et n?rmest rent produkt som det er relativt enkelt ? deponere, for eksempel ved ? sende det tilbake til oljebr?nnene i Nordsj?en. Dette er teknologi som er mer avansert enn dagens foresl?tte l?sninger for "milj?vennlige" gasskraftverk.
Hvor sm?tt?
Integrerte kretser - databrikker eller mikrochips. Disse la grunnlaget for v?r tids moderne mikroelektronikk, og i dag finner vi databrikken s? vel i PC-er, klokker og lommekalkulatorer som i vaskemaskiner og biler. Materialene og komponentene i kretsene bygges opp med mikrometer-n?yaktighet. (1 mikrometer = en tusendels millimeter).
– Mange tror at transistorer og andre minnelagringsenheter kan n? ned p? atomniv?. Dagens forskning p? funksjonelle materialer kommer etter hvert til ? bli n?rt knyttet til nanoteknologi.
Nano kommer av det latinske ordet for dverg. En nanometer er en tusendel av en mikrometer.
– Vi har teknikker for ? observere og manipulere p? disse skalaene. Ved hjelp av kraftige mikroskoper kan en for eksempel plassere en klump av noen f? gullatomer inn i en nanometerskala-?pning mellom to elektroder. Slik er det mulig ? m?le elektriske egenskaper i atom-atom-kontakter, sier Norby.
– Nanoteknologi er inne p? et st?rrelsesomr?de der mange egenskaper er lite forst?tt. Dette niv?et utvisker forskjellene mellom kjemiske og fysiske, uorganiske og organiske egenskaper og funksjoner, og b?de teknologi, milj?, biologi og medisin kan utnytte mulighetene i tverrfaglig 澳门葡京手机版app下载, konkluderer han.