Maskinen som måler mikrokrefter (29.8.06, 14:07)

I dag tirsdag åpnet NTNUs Nanomekaniske laboratorium. Her testes innmat til fremtidens mobiltelefondisplay og LCD-skjermer. En ny maskin skal finne den rette sammensetningen av betong som skal tåle arktisk klima, og forhåpentligvis løse et milliardproblem for oljeindustrien.

Rektor Torbjørn Digernes var stolt da han åpnet Nanomekanisk laboratorium i dag tidlig.

ET LØFT: - En av våre største investeringer, sier rektorTorbjørn Digernes om satsingen på nanoteknologi.

- Dette er en av de største investeringene vi har gjort her ved NTNU. Så langt har vi brukt 140 millioner på NTNUs nanoteknologiske miljø. Vi designer og lager materialer fra bunnen av, og nå har vi fått utstyret til å sjekke de mekaniske egenskapene til det vi og andre miljøer lager, sa rektor i sin åpningstale.

Avansert maskin
Nå står Hysitron TriboIndenter og venter på å få føle seg frem på bittesmå overflater. Her skal egenskapene til nye og gamle materialer testes i sitt innerste vesen.

På utsiden ligner maskinen en gigantutgave av en hjelm fra Star Wars. Inni ser den ut som et mikroskop, med en symaskinfot på. Den kom til NTNU i juni, og flyttet inn i et rom i Perleporten. Den er Skandinavias mest avanserte maskin for å teste egenskapene til materialer, på nanonivå.

Nano er smått – veldig smått
En nanometer er en milliarddels meter, så denne maskinen krever absolutt stillhet for å foreta sine vurderinger. Det får den i et rom som har vibrasjonsdemping, støvsugende vegger og akkurat den riktige temperaturen.

- Med denne maskinen materialers egenskaper testes under alle mulige forhold. Skal vi lage en ultrahøy fast betong som skal tåle arktisk klima, må vi kunne teste hva som skjer på mikrostruktur og atomnivå når materialet utsettes for temperatursvingninger og stor last, sier professor Zhiliang Zhang, leder for det nye laboratoriet.

- I dag vet vi mye om materialers ”storskalaegenskaper”. Nå skal vi kartlegge egenskapene på nanonivå.

VIDUNDERMASKIN: Laboratoriesjef Zhiliang Zhang er stolt av den nye maskinen, Hysitron TriboIndenter, som skal brukes til å studere materialers egenskaper på nanonivå. Fra leverandøren av utstyret fikk Zhang overrakt et ”nanokunstverk”.

Ugelstad i ny innpakning
Ugelstadkulene og deres medisinske betydning er velkjent i vårt miljø. Deres spesielle egenskap er at alle har identisk i størrelse. Man kan feste medisin på kulene, og få dem transportert til riktig sted i menneskekroppen, hvor de deponerer sin last.

Nå har en annen industri med utspring i NTNU og Sintef funnet en helt ny måte å bruke disse kulene på, innen mikroelektronikk. Conpart heter firmaet som lager innmat til display basert på flytende krystaller.

Inni disse skjermene er det små kuler av metall som lar strøm flyte i en bestemt retning. Disse små kulene er relativt dyre, og tunge, siden de er av rent metall. Det må lages en masse av disse små kulene, for så å plukke ut de som har riktig størrelse.

Med Ugelstads metode, kan man lage kuler som består av noe annet enn metall inni, og så dekke kulene med et tynt lag med metall slik at de kan lede strøm. Disse kulene skal nå testes i den nye maskinen i nanomekanisk laboratorium.

Materiale under press
Ved hjelp av en prosess som kalles nanoindentering blir overflaten på materialet, eventuelt kulene, trykket forsiktig ned. Hvor langt, og med hvilken kraft, materialene blir ”skviset” kan styres i detalj. Effekten av skvisingen måles ved hjelp av kapasitansendring.

INNSIDEN: Slik ser det ut inni kuppelen på maskinen.

En spiss med to elektriske plater trykkes ned mot materialet, og da endrer kapasitansen mellom platene seg. Denne endringen i ledningsevne blir et uttrykk for hvor mye det undersøkte materialet ”gir etter” for trykk.

Basert på slike gjentatte tester bestemmer man materialenes mekaniske egenskaper. Dette gir grunnlag for å finne ut hvordan de nydesignede materialene egner seg for forskjellige formål.

Maskinen skal også brukes for å løse et av oljeindustriens største problemer. I de siste årene har verdier for milliarder gått tapt ved at rørledninger på havbunnen får problemer med sveisesømmen. Dette kalles hydrogensprøhet, men ingen vet helt hva som er årsaken til at metallkvaliteten raskt forringes av hydrogen.

- Vi skal prøve å løse dette mysteriet, sier materialprofessoren.

Nano ikke nytt
Det er nesten seksti år siden fysikeren Richard Feynman innledet nanoteknologiens æra med sin berømte tale ”there’s plenty of room at the bottom”.

I hans visjon var i prinsippet ingenting begrenset av annet enn atomers størrelse. Feynman ville lagre alle bøkene i verden inni et bibliotekskort og lage en ”kirurg” som skulle sendes inn i menneskets blodbane for å lete opp feil. DNA-molekylet ble sett på som det ultimate lagringsmediet.

Feynman utlovet en belønning på tusen dollar til den som først laget en elektrisk motor, som virket og kunne styres, mindre enn en 1/64 kubikktomme.

Det tok ikke lang tid før en slik motor ble presentert.

Perfekte ski
- Jeg hadde et friår på Harvard, forteller Zhiliang. – Det et var sterkt fokus på Feymans tanker på den tiden. Nå har vi valgt en helt annen vinkel på problemstillingene. Feynman var mest opptatt av å krympe ned kjente størrelser og mekanismer. Nå fokuserer vi på å bygge opp fra atomnivå akkurat det vi ønsker av materialer og ”dingser”.

Det er en stund siden man begynte å konstruere materialer fra grunnen på NTNU. Den nye maskinen kan teste egenskapene til både nydesignede og gamle kjente materialer.

- Vi kan i prinsippet teste alle typer materialer. Nordmenn er jo så opptatt av ski. Det hadde jo vært gøy å teste hvilket materiale av ski som ville gitt best fart, eller kanskje vi skulle teste keramikkflisene i Granåsen. Så kunne vi designe en perfekt ski for å hoppe helt ned i bunnen av bakken. He he, det ville dere nok likt, ler professor Zhang.

Tekst og foto: Hege Tunstad