Kari Rissanen: Pieni, Pienempi, Nano

11.11.2008

Todellinen tämän päivän hype-aihe on “nanoteknologia”. Sitä käytetään lähes kaikissa uutta teknologiaa käsittelevässä kirjallisuudessa, mainoksissa ja jokapäiväisessä puheessa kuvaamaan jotain uutta tai hyvin edistyksellistä teknologista innovaatiota tai ominaisuutta. Kuitenkin vain hyvin pieni osa lukijoista tietää mitä nanoteknologia-sana todella tarkoittaa, joten on syytä määritellä nanoteknologia ja sitä tuottava tiede, ns. nanotiede, sekä auttaa lukijaa ymmärtämään esimerkin avulla “normaalin” ja “nanomaailman” eroja.

Yksi nanometri on miljoonasosa millimetristä (0.0000000001 m eli 10-9 m) ja se on pituusmitta, jota käytetään yleisesti kemiassa, fysiikassa ja biologiassa. Nanotiede tutkii luonnontieteellisin menetelmin ilmiöitä, jotka tapahtuvat muutaman nanometrin etäisyydellä toisistaan tai kappaleita ja hiukkasia (usein molekyylejä), jotka ovat kooltaan muutamia tai muutamia kymmeniä nanometrejä. Nanotieteen tutkimusalat voidaan karkeasti jaotella nanokemiaan, nanofysiikkaan ja nanobiologiaan. Parhaimmillaan nanotiede on kuitenkin silloin kun usean eri tieteenalan tutkijat – esimerkiksi kemian ja fysiikan, kemian ja biologian, fysiikan ja biologian tai kaikkien kolmen tutkimusalan tutkijat – yhdessä tekevät nanoilmiöihin liittyvää tutkimusta. 

Nanotieteen tarkoituksena on selvittää “nanomaailman” ilmiöiden lainalaisuuksia, sitä miten toiminnallisuus ilmenee erittäin pienissä rakenneyksiköissä sekä luoda malleja ja valmistusmenetelmiä erittäin pienten, mutta samalla toiminnallisten kokonaisuuksien luomiseksi. Nanomolekyylien, nanolaitteiden ja nanokoneiden toiminnan ymmärtämisen kannalta suurin ongelma on nanomaailman erittäin pieni koko ja sen ilmiöiden poikkeaminen makroskooppisesta maailmasta.  Voimme havainnollistaa  “nanomaailman” pienuutta käytämällä esimerkkinä kaikille tuttua lääkeainetta eli aspiriinia, joka on noin 0.5 nm:n kokoinen molekyyli. Yksittäiset molekyylit, kuten aspiriinimolekyyli ja nanolaiteetkin, ovat erittäin pieniä, joten ehkä helpoin tapa hahmottaa (nano)molekyylien kokoa on laskea montako aspiriinimolekyyliä lukija saa verenkiertoonsa ottaessaan yhden 500 mg:n aspiriinitabletin (oletamme, että kaikki aspiriinimolekyylit todella imeytyvät verenkiertoon). Yksi 500 mg:n tabletti sisältää 1.67 x 1021 aspriimolekyyliä eli 1 670 000 000 000 000 000 000 kpl (eli käsittämättömän monta). Näin monta aspiriinimolekyyliä tarvitaan, jotta päänsärky hellittäisi (jos yksi tabletti riittää).  Aspiriini on pieni lääkeainemolekyyli, oikeat nanomolekyylit ovat kuitenkin vain      noin 10 kertaa aspiriinimolekyyliä suurempia.

Oheinen esimerkki antaa ehkä jonkinlaisen käsityksen siitä, kuinka pieniä nanolaitteet ja nanomolekyylit ovat. Nanotieteen tutkimus on viimeisen kahdenkymmen vuoden aikana kehittynyt niin paljon, että tietyn ominaisuuden tai toiminnallisuuden omaavia muutaman nanometrin kokoisia nanokokoisia partikkeleja, ns. nanopartikkeleja ja nanomolekyylejä, osataan jo valmistaa. Tähän on vaikuttanut erittäin merkittävästi nanokemian kehittyminen ja kemiallisten valmistusmenetelmien soveltaminen nanomolekyylien valmistamiseen.

Varsinaisia makromaailman laitteiden tai koneiden tavalla toimivia nanolaiteita ei tosin vielä kyetä valmistamaan. Tämä johtuu siitä, että nanomolekyylit ja -laitteet toimivat eri periaatteella kuin makroskooppiset laitteet, ja siten makroskoopisen laitteen toiminnan siirtäminen sellaisenaan nanomaailmaan ei ole mahdollista.

Nanoteknologiassa käytetään arkielämän termejä kuten “kone” tai “laite” kuvaamaan nanokokoisen molekyylin tai hiukkasen/partikkelin koneen- tai laitteenkaltaista toimintaa, vaikka kyseessä olisi toiminto, jota makromaailmassa emme nimittäisi koneeksi tai laitteeksi. Nanomaailmassa tapahtuva koneenkaltaiseksi toiminnaksi kutsutaan tapahtumaa, jossa molekyylissä tapahtuu ulkoisesti havaittava muutos. Tällä tavalla “toimivia” nanomolekyylejä kutsutaan englanninkielisellä termilla “molecular machines” eli molekyylikoneet (koska se on nanokokoinen, niin sitä voitaisiin siis kutsua myös “nanokoneeksi”).

Nanotiede ei, puhtaan tieteen tavoin, pyri itse luomaan tai aikaansaamaan teknologiaa. Se luo kansainvälisesti vertaisarvioidun tieteellisen perustutkimuksen kautta pohjan nanotieteen käytännön sovelluksille eli nanoteknologialle. Syy, miksi nanoteknologia on niin suosittu ja mediaseksikäs puheenaihe ja kiinnostuksen kohde, on nanotieteen ennennäkemätön potentiaali tuottaa uusia teknologisia ratkaisuja, esimerkiksi laitteiden  tiettyjen toiminnallisten osien minityriatisoinnissa tai kyvyssä aikaansaada merkittäviä vähennyksiä materiaalien käytössä sekä energian kulutuksessa ja siten vähentää ympäristökuormitusta.

Nanoteteen tutkimus on vasta alussa. Tulevat vuosikymmenet tulevat todella paljastamaan nanotieteen ja nanoteknologian merkityksen ihmiskunnalle.

Aiheesta laajemmin teoksessa Ihminen ja maailmanhallinta, toim. T. Holmén & I. Vilja; Art House, 2009.

Akatemiaprofessori
Kari Rissanen
Jyväskylän yliopisto
Nanoscience Center
Kemian laitos

Aiemmin ilmestyneitä blogeja