I 1983 stod det ein artikkel i det prestisjefylte amerikanske tidsskriftet Physical Review Letters som fekk lesarane til å sperre augo opp: Fire fysikarar ved IBM sitt forskingslaboratorium i forstaden Rüschlikon utanfor Zürich hadde bygd eit instrument som kunne skape bilete av den detaljerte atomstrukturen i overflata av silisium krystall, materialet som utgjer hjernen i moderne datamaskinar. Vi kunne her sjå kvart enkelt atom, og korleis atoma låg i eit bestemt mønster i overflata av materialet. Enkelte forskarar som las artikkelen, ville ikkje tru det kunne vere sant, men sant var det. Det var sveitsaren Heini Rohrer og tyskaren Gerd Binning som hadde stått i spissen for utviklinga av eit nytt mikroskop-prinsipp med ei nærast utruleg høg oppløysing, og opna ein ny veg inn til avbilding og forståing av oppbygginga av faste stoff. Alt tre år seinare, i 1986, fekk dei Nobel-prisen i fysikk. Det nye mikroskopet er blitt heitande STM-mikroskopet, der STM er danna av forbokstavane i det engelske namnet scanning tunneling microscope. På norsk kallar vi det gjerne tunnelmikroskopet.

Dette mikroskopet, nyttar ikkje lys, men ein elektronstraum til å ”sjå” med. Kort fortalt vert ei veldig spiss nål førd tett ned til den overflata ein vil studere. Når ein elektrisk spenning blir sett på mellom nåla og materialet under denne, går det ein straum gjennom nåla og ut gjennom det siste atomet i spissen av nåla, og ned i overflata av materialet sjølv om der ikkje er direkte kontakt. Denne straumen vert kalla tunnel-straum, eit uttrykk frå kvantefysikken. Difor namnet tunnelmikroskop. For å lage eit bilete av eit areal av overflata, må nålspissen førast i eit linjemønster fram og tilbake over overflata og bygge opp biletet på liknande måte som det vi får ved hjelp av ein elektronstråle på ein TV-skjerm. Kontrasten i biletet oppstår fordi straumen som går gjennom nålspissen og ned i materialet under, vil variere etter som avstanden frå spissen til det atomære landskapet i overflata varierer. Når eit atom i overflata ligg høgt, blir straumen sterk, ligg eit anna atom djupare i overflata, blir straumen svakare. Dermed får vi kontrast i biletet av straumen gjennom nålspissen. Slik får vi eit bilete av det atomære landskapet i overflata av materialet.

Den nye teknikken vart snart adoptert verda over, og nye idear kom til: Snart fann ein ut at instrumentet kunne modifiserast til å måle krafta mellom nålspissen og eitt einaste atom i materialet under nåla. Denne varianten vert kalla AFM-mikroskop frå den engelske nemninga: atomic force microscope. Desse nye metodane gjorde det nå mogeleg å studere strukturen i alle salgs overflater, og kva som skjer på og i overflata i samband med kjemiske reaksjonar og ved atomære transportprosessar. I andre tilfelle kan ein strekke og dra i eit enkelt molekyl og måle styrken i bindingskreftene osv.

Dette sette amerikanske forskarar ved IBM i Almaden i California på den tanken å nytte desse metodane til å manipulere og flytte atom. Dei synte at dei kunne plukke opp eitt atom om gangen, og legge det ned att ein annan stad på ei overflate. Dermed kunne dei til dømes skrive med atom på same måte som ein kan lage bokstavar ved å plukke småstein på stranda og legge dei etter kvarandre i bokstavmønster. Dei valde naturleg nok å skrive bokstavane IBM sidan det var der dei arbeidde. Nå var katta for alvor ute av sekken, for å seie det slik. Teknikken vart teken i bruk av fleire og fleire, som tok til å engasjere seg i både kva ein kan lære om naturen og kva ein kan skape på atomær skala.

Enkelte hadde nok tenkt på å kunne gjere slike ting før, men hittil hadde det berre vore framtidsvyer. Alt i 1959 heldt den kjende amerikanske fysikaren Richard Feynman eit vidgjete foredrag med den talande tittelen ”There’s plenty of room at the bottom.” På norsk ville vi seie noko slikt som at der er rikeleg plass også på små flater. Feynman opna augo på forskarane ved å peike på at mange ting vi er vane med å lage på ein viss storleiksskala, like gjerne kunne gjerast mykje, mykje mindre. Han kom med følgjande påstand: Heile innhaldet i det digre leksikonet Encyclopedia Brittannica på 25000 sider kan skrivast på eit areal som.., ja som på eit knappenålshovud! Der er ikkje berre plass nok, fortalde han, nei der er rikeleg plass! Korleis ein skulle greie å skrive så smått, var ikkje så klart, men at det var plass i massevis, det var enkelt å rekne ut. Dessutan ville ein alt den gongen kunne lese skrifta med eit elektronmikroskop. Dette var altså i 1959. Feynman såg eigentleg fleire ti-år fram i tid.

Feynmans illustrasjon er svært interessant fordi den handlar om lagring og lesing av informasjon. I denne samanhengen er det då straks naturleg å tenkje på datamaskinar. Vi oppfattar oss jo som å leve i dataalderen. Men i 1959 var ein berre så vidt begynt på den vegen som skulle leie til dagens datamaskinar ved bruk av transistorar.

For å følgje denne typen tankegang vidare vil eg ty til eit anna bilete, eit nytt tankeeksperiment. Vi tenkjer oss ein moderne by, gjerne ein storby som til dømes London. Denne byen inneheld titusenvis av bygningar, alle med sitt særpreg. La oss tenkje oss at alle bygningane er bygde av murstein av ein viss storleik, og la oss like godt forestille oss at også gatene var bygde av murstein. Dette er i prinsippet mogeleg, og kan difor gjerne brukast i vårt tankeeksperiment. Vi tenkjer oss så at vi byggjer denne byen på nytt i miniatyrformat, ved å byte ut kvar murstein med berre eitt atom. Atom er aldeles førsteklasses byggjesteinar som alt stoff i oss og omkring oss er laga av, og vi har over 90 ulike typar å ta av. Vi kunne nå setje oss føre å reprodusere heile byen på den måten eg nettopp nemnde. Nå blir det smått! Vi er nå nede på ein skala som er nærast ufatteleg liten, ja nettopp på nanoskala. Eit atom er av storleik som nokre tideler av ein nanometer. Spør vi oss nå kor stor vår tenkte by vart, bygd etter prisippet: eitt enkeltatom for kvar murstein i den verkelege byen, så vil vi finne at vår atomære storby får svært god plass på eit knappnålshovud!

Kva er så poenget? Jau, det er nettopp å peike på kva ein uendeleg rikdom på mogelegheiter der er til å byggje veldig, veldig mange ting på nansoskala, og at desse tinga nesten ikkje tek nokon plass sjølv om antalet av bygg er veldig stort. Forskarane i Alamden som skreiv ordet IBM med enkelt-atom som dei plukka opp ein stad og la frå seg ein annan stad, dreiv sjølvsagt med ein form for avansert leik, som eit barn på stranda. Men samstundes var dei nok klar over at dette kunne bety starten på ein ny era i materialforsking, og inspirere til design av nye innretningar og komponentar på nanoskala. Og ikkje minst tirra dette eskperimentet fantasien til mange forskarar verda over.

Vi ser her ein tidleg kime til nanoteknologi.

Skulle vi følgje tråden vidare for vår atomby på nanoskala, så ville ”atom-bygningane” kunne vere konstruksjonar med kvar sin individualitet, med allverdens ulike eigenskapar og dermed ha eit stort antal ulike funksjonar, som til dømes målesensorar, som analyseinstrument, som datalager, som ørsmå nanofabrikkar av nye små molekyl, eller endåtil maskinar, og så vidare. Vi kan velje og vrake mellom ulike atomtypar til å bygge ørande små blokker av materiale med eigenskapar som halvleiar, magnet, superleiar, metall, organiske strukturar osv. Og vi kan sjå for oss at vi byggjer elektriske nanoleidningar mellom konstruksjonane for å bruke dei til sine ulike føremål.

Eit hovudproblem vil vere å utvikle produksjonsmetodar for dei oppfinningane vi ser for oss. Å flytte eitt og eitt atom er sjølvsagt ingen farbar veg. Det går så altfor smått. Men mange ting er i gang, og vi har berre så vidt starta på denne nye utviklinga. Ser vi på datateknologien, har kretsane i PC’en heile tida blitt mindre og mindre, slik at vi snart nærmar oss ein milliard kretsar eller transistorar på ei brikke! Men lagar vi dei ennå mindre nå, vil eigenskapane endre seg, og vi må ty til heilt nye metodar. Det er altså her nanoteknologien skal gje oss løysinga. Det skal utviklast heilt nye typar kretsar, med nye materialtypar og med radikalt nye framstillingsmåtar. Dette er ei kolossal utfordring. Men lykkast det, vil datateknologien gå gjennom ein ny revolusjon, og konsekvensane kan bli at vi vil sjå tilbake på dei siste 20 åras utvilking som berre den spede begynnelsen til den verkelege dataalderen. Dei siste 40 åra har datamaskinane dobla reknefarten ein gong for kvar 18 månader, noko som har fått namnet Moores lov etter han som først påpeikte denne utviklinga. Med nanoteknologi håpar ein å kunne halde oppe denne utviklinga.

Ein kan sjølvsagt stille spørsmålet om ei slik vidare utvikling er nødvendig. Til det er å seie at det fins mange store oppgåver som vi ikkje kan løyse med dagens reknemaskinar, tenk berre på å kunne skaffe sikre langtidsvarsel for veret. Og ennå er datamaskinane høgst primitive når vi måler dei opp mot intelligente hjernar.

”Gå til mauren og bli vis” heiter det i eit gamalt ordtak. Eg vil heller seie: ”Gå til Naturen og lær”. Og i denne samanhengen vil eg spesielt peike på levande celler. La oss tenkje over det faktum at kvar einaste levande celle i kroppen på eit kvart individ, anten dyr eller menneske eller plante, innheld heile oppskrifta på vedkomande individ i form av arvestoffet DNA. Er det noko som må gje oss alle ærefrykt for naturens enormt sinnrike oppfinningar, så er det vel nettopp dette. Her ser vi naturens eigen nanoteknologi i full utfalding, og vi er ikkje i nærleiken av å kunne gjere noko som liknar. Men vi kan lære, og vi lærer stadig meir. Vi ser stadig oftare at forskarane er blitt audmjuke nok til å gå til naturen og leite etter funksjonar eller delløysingar som vi kan ta i bruk i staden for å måtte finne opp og utvikle alt frå grunnen av. Etter at arvestoffet DNA vart oppdaga av Crick og Watson i 1953, fekk vi altså innsyn i naturens måte å kode informasjon. Ein må konstatere at naturen ligg langt, langt føre menneska når det gjeld datalagring i enkle kodar, nemleg som kjemiske sekvensar av berre fire basegrupper, organisert parvis i varierande rekkjefølgje i det lange, spiralforma dobbelmolekylet DNA. I kvar einaste celle i kroppen vår ligg heile oppskrifta på deg og meg lagra i ei lengde på ca 3 meter av dette molekylet.

I søket etter naturens eigne oppfinningar på nanoskala finn ein stadig nye lovande måtar å ta i bruk både kjende molekyltypar og andre av naturens små konstruksjonar. Overraskande nok blir nettopp det molekylære arvestoffet DNA sett som ein interessant kandidat til å skape ein ny type elektronikk på nanoskala. Dette kan kanskje kjennast litt ubehageleg. Men vi må hugse på at eit molekyl, inklusive DNA, ikkje er ei livsform i noko som helst forståing av ordet, så det skulle ikkje vere etiske problem knytt til dette.

Ein annan kandidat til ny elektronikk på nanoskala er det vi kallar karbon nanorør. Karbon, eller kolstoff, er eit grunnstoff som lagar veldig sterke kjemiske bindingar, noko vi ser mellom anna i diamant. Først for ca 15 år sidan vart det oppdaga at karbon kan forekomme i veldig, veldig tynne, lange rør, og er det sterkaste materiale ein kjenner, sterkare enn stål. Karbon nanorør har ein omkrins så liten at det berre går nokre få atom til å kome rundt røret. Difor blir det kalla nanorør. Igjen har vi her døme på naturens ingeniørkunst på nanoskala. Det blir arbeidd intenst ved nokre av dei fremste forskingssentra i verda med å lage ein ny generasjon elektronikk på nanoskala, basert på bruk av karbon nanorør. Desse røra har mange spesielle eigenskapar. Klarar ein å framstille store mengder med dei eigenskapane vi ynskjer, kan dette bringe oss langt inn i ein ny generasjon elektronikk på mykje finare skala enn vi har i dag, dvs på nanoskala.

Motivet for å leite etter naturens eigne små konstruksjonar som grunnlag for nanoteknologi finn vi i det problemet at vi ikkje har adekvate metodar til å byggje omfattande, komplekse strukturar på nanoskala. Vi må hugse på at slike konstruksjonar til sjuande og sist vil krevje korrekt plassering av milliardar av atom i eit fungerande system, der kvar enkelt komponent kanskje inneheld berre nokre tusental atom.

Men la oss nå gå tilbake til Feynmans hovudtanke. Som vi sa, handla det om å pakke informasjon tettare og tettare. Men Feynman såg vidare. Han snakka til dømes om det vi i dag vil kalle molekylære maskinar, som motorar, eller maskinar som kan bygge ting, eller analysere ting, til dømes kroppsværsker som blod og anna. Ja, han fantaserte om å lage små maskinar som kan gå inn i blodstraumen og utføre kirurgiske operasjonar. I dag, 46 år etter er vi framleis ikkje der. Ideen er framleis på det spekulative stadium. La oss uansett legge oss på minne at nanoteknologi på ingen måte handlar berre om lagring, lesing og manipulering av store datamengder, sjølv om dette området nok alltid vil stå sentralt. Vi må utvide perspektivet for nanoteknologi til lange rekkjer av funksjonar utover dette. Ein problematikk som ein stadig støyter på, er utsiktene til å kople elektronikk direkte til hjernen, til dømes for å erstatte tapt synsevne og liknande. Men vil det i så fall kunne føre til at vedkomande person vil kunne styrast utanfrå?

Det er grunn til å tru at det medisinske området kan kome til å høyre til dei viktigaste områda for nanoteknologi, til dømes når det gjeld overvaking av kroppsfunksjonar og sjukdomstilstand, ja helse generelt. I denne samanhengen vil også dosering og transport av medisin ut i kroppen bli viktig. Dette er ein alt i gang med. Det vil bli utvikla overvakingssystem som kan plasserast permanent i kroppen, og rapportere tilstanden til verten ut til ein datamonitor via elektromagnetiske signal, på same måte som vi i dag sender SMS på mobiltelefon. I dag er slik teknologi faktisk i bruk i avanserte bilar. Kvifor nanoteknologi? Det er sjølvsagt alltid ein fordel at apparaturen er så liten som råd er for ikkje å forstyrre eller skade pasienten. Systemet må innehalde ei rekkje sensorar, datamaskin, radiosendar og mottakar. Men her vil vi igjen støyte på etiske problem: Slike innretningar vil kunne overvakast uautorisert, og dermed misbrukast. Dette er problem som det og må finnast løysing på.

Definisjonen av kva nanoteknologi eigentleg er, vil det av og til vere delte meiningar om. Somme vil heve at nanoteknologi berre handlar om ting som fullt og heilt er på nanoskala, til dømes dei aktive delane av ein framtidig datamaskin. Men andre vil hevde at det å lage eit storskalaprodukt som innheld til dømes myriadar av materielle partiklar som har ein bestemt funksjon på nanoskala, også er nanoteknologi. Eit døme på dette siste vil vere moderne aluminiumsprodukt som er viktige i norsk industri. Styrken av aluminium er på heilt avgjerande måte styrd av spesielle små partiklar av framandatom, altså ikkje av aluminium, og nettopp på nanoskala. Det er desse nanoskala partiklane som hindrar at atomplana glir mot kvarandre og fører til deformasjon av materialet under ytre påkjenningar. Dei små partiklane gjer at materialet held sin form, og altså har mekanisk styrke. Utan desse partiklane ville aluminum vere svært mjukt, og i dei fleste samanhengar vere heilt ueigna til det vi brukar det til i dag. Utfellinga av desse småpartiklane som stivar opp aluminium er eit resultat av målretta design av materialeigenskapar på nanoskala.

Men langt frå alle vil vere villige til å sjå berre positive trekk i den førespegla utviklinga. Illevarslande motforestillingar har kome frå ymse kantar, ja heilt til dei reine skrekkvisjonar. Den mest ”populære” av desse, for å seie det ironisk -det vil her seie den mest omtalte- er ideen om såkalla ”grått gørr”, på engelsk ”grey goo”, formulert av amerikanaren Bill Joy ved det store informasjonsteknologiselskapet Sun Microsystems i USA. Han fryktar at vi skal skape sjølvreproduserande robotar, ”nanobots” som kjem ut av kontroll, lever sine eigne liv, reproduserer seg i vill fart, og set til livs alt og alle mens dei spreier seg utover verda. Verre kan det vel knapt bli! Ein skulle tru ideen var bestilt av Hollywood. Og snart kjem det nok ein film derifrå som utnyttar den. Desse vyene har sine alvorlege tilhengjarar, som nok utgjer eit svært lite mindretal av seriøse forskarar. Det er likevel urovekkjande at opphavsmannen er ein kompetent person. Det er elles ikkje noko nytt at store framsteg inneber trussel om misbruk eller uansvarleg bruk og utilsikta konsekvensar. Ansvarleg omgang med ny kunnskap og ny teknologi er ikkje berre eit moralsk ansvar, men også i høgste grad ein nødvendig juridisk føresetnad for forsking og utvikling finansiert av offentlege og private midlar. Denne typen spørsmål har aldri blitt sett sterkare på dagsorden enn ved utvinning av kjerneenergi som kan nyttast fredeleg til folks beste, eller misbrukast i atombomber. Det fins i dag ikkje noko slag fysisk-matematisk bevis for at Bill Joy tar feil. Så særleg aktsemd vil vere naudsynt på visse forskingsområder. Vi kan og tenkje over at vi nå snakkar om å lage fungerande strukturar som er så små som dei aller minste støvkorn. Det vil finnast rom for myriadar av dei i vår eigen kropp! Slike mogelegheiter gjer at ein må nærme seg framtida i dette feltet med stor ansvarskjensle og etisk haldning.

La oss nå sjå litt på dei vyer som til dømes det amerikanske nanoteknologi-initiativet omtalar: Det eg her vil nemne, kjem frå ein offisiell amerikansk rapport:

” Nanoskala vitskap og teknologi vil føre til ei betre forståing av naturen, framsteg i grunnleggande forsking og utdanning, sterke endringar i industriell produksjon, i økonomien, i helsestell, og i miljø og bærekraftig utvikling”. Rapporten forutseier ein verdsmarknad på tusen milliardar dollar årleg om 10 til 15 år, og vil inkludere områder som
”Industriproduksjon der nanoskala er venta å bli ein svært effektiv produksjonsskala så snart nanovitskap legg forståingsgrunnlaget og ingeniørvitskapen skaffar verktøy.” Og vidare:
”Materialtypar med høg yting og unike eigenskapar og nye funksjonar vil bli produsert, slike som tradisjonell kjemi ikkje vil vere i stand til å skape. Nanostrukturerte material og prosessar er venta å auke sin marknad med omtrent 2500 milliardar kroner per år på verdsbasis dei neste 10 åra”. Her siterer rapporten det store japanske konsernet Hitachi sitt forskingsinstitutt.
”Elektronikk basert på nanoskala framstilling av heilt nye typar komponentar vil bli produsert med ein totalt verdi på over 2000 milliardar kroner per år.” Og så vidare.

La oss så til slutt kome tilbake til overskrifta for dette foredraget: Nanoteknologi: Moteord eller sesam-sesam? med spørsmålteikn etter. Mitt svar er:

Nanotoknologi er utan tvil eit moteord, men med rette, for det fins ikkje tvil om at dette området vil gje store utteljingar på mange ulike frontar i framtida. Det vil bidra til industriell nyskaping og setje i gang endringsprosessar i ein ny epoke i teknologien. Men dette vil i sin tur medføre samfunnmessige endringar som blir krevjande å meistre, på liknande måte som datateknologien dei siste 20 åra har endra vår kvardag. . Tidssakalaen det oftast blir snakka om er 10-15 år før dei store verknadene set inn for fullt, som eg alt nemnde.

Nanoteknologi er ikkje eit trylleord, og vil aldri bli eit sesam-sesam. På mange områder blir det nok i dag snakka i litt for store bokstavar, særleg i USA. Kvar einaste landevinning vil krevje stor innsats både innan grunnforsking og teknisk forsking og utvikling. I dei fleste tilfelle anar vi berre vagt kva som kjem til å skje. Ofte ligg løysinga langt fram i tid, og dermed innhylla i sløret mellom oss og framtida.