Image
Tiny girl looking up ans smiling

Verden er stor når man selv er liten. Hva hvis man var mindre nn en edderkopp og møtte en? Foto: Colourbox

Alice i Nanoland

I noen tilfeller er de van der Waalske kreftene sterkere enn gravitasjonskraften. Det gjør for eksempel at edderkoppen kan klatre på vegger. Kan Alice også klamre seg fast til vegger når hun er på størrelse med en flue?

Artikkelen er skrevet av Mariel Aulie Hinderaker

Alice grubler over nanoverdenen og lurer på hvorfor den er så spesiell. Hun vurderer å stille spørsmålet til sin søster, men lar det ligge. Med hodet inntil det store treet lukker øyelokkene seg sakte, men sikkert igjen.

Plutselig står det en hvit kanin foran henne med et ur i hånden. Det virker som om han har utrolig dårlig tid! Alice følger etter ham og faller ned i et sort hull. Kaninen tilbyr henne en drikk som vil få henne til å krympe. Det er den eneste måten hun kan entre den lille døren som står foran henne på. Nysgjerrig på hva som gjemmer seg bak denne, uten å reagere på at kaninen kan snakke, tar hun imot drikken.

Styrke og vekt

Mariel Aulie Hinderaker er masterstudent i materialvitenskap for energi- og nanoteknologi. Artikkelen er skrevet som en del av formidlingskurset MNKOM.

Kaninen er plutselig gigantisk! Alice er på størrelse med en flue og føler seg utrolig lett. Hun forsøker å følge etter kaninen og blir overrasket over hvor langt og høyt hun klarer å hoppe i forhold til sin egen kroppslengde.

Styrke-til-vekt-forholdet er proporsjonalt med 1 over D, der D er dimensjonen til Alice. Dette forholdet er et viktig mål på styrke. Før var Alice 1,70 meter høy, men nå befinner hun seg på millimeterskalaen. Dermed er dette forholdet omtrent 1000 ganger større enn det var før. Det er jammen ikke rart at hun klarer å hoppe så langt i forhold til lengden sin, hun er jo supersterk!

Overflateareal og masse

Alice står på noe som ser ut som en skyhøy benk. Mens hun speider ned fra benken, ser hun en gigaedderkopp som kommer i full fart mot henne. Den begynner å klatre opp på benken. For Alice ser det helt absurd ut at et så stort vesen kan bevege seg vertikalt oppover. Hvor er tyngdekraften? Livredd for den store edderkoppen prøver Alice å klekke ut en rømningsplan. Hun får en genial idé!

Newtons 2. lov definerer kraft som masse ganger akselerasjon. Tyngdekraften er avhengig av masse. Dermed er kreftene som drar Alice ned veggen når hun prøver å klatre oppover, betydelig mindre nå enn før.

Gravitasjonskraften kjenner du nok til fra før av. Noe mindre kjent er kanskje de Van der Waalske kreftene. Dette er krefter som virker mellom molekyler. Det er disse kreftene som gjør at vi ikke faller gjennom gulvet når vi står på det. Det er også disse kreftene som gjør at blant annet gekkoer og edderkopper kan bevege seg oppover veggen uten å bli dratt ned av gravitasjonskraften.

Alice har nå større overflateareal i forhold til masse enn hun hadde før. Størrelsen på et overflateareal forteller oss om hvor mange atomer det er på overflaten som kan samhandle med atomer på en annen overflate. Jo større overflateareal, desto flere atomer til rådighet på overflaten og desto sterkere Van der Waalske krefter. Forhåpentligvis vil de Van der Waalske kreftene være sterkere enn tyngdekraften slik at Alice kan klatre opp veggen og unnslippe den ekle edderkoppen.

Shit! Edderkoppen tar innpå.

Nanoteknologi

På nanonivå er forholdet mellom overflateareal og masse slik at de Van der Waalske kreftene dominerer, og gravitasjonskreftene er så svake at de så vidt blir lagt merke til. Kvanteeffekter spiller også en viktig rolle i nanoland, men eventyret om kvanteteori må vente til en annen gang.

Styrke-til-vekt-forhold er som nevnt et viktig mål på styrke. Nanotubes av karbon er et veldig godt eksempel på dette. Disse tubene er sylinderformet og hule i midten med sterke bindinger mellom atomene på overflaten. Det gjør at de er lette og har et stort styrke-til-vekt-forhold. Karbon-nanotubes er derfor det sterkeste materialet som er blitt oppdaget pr. i dag.

Nanoverdenen er en forunderlig verden som kan bidra og har bidratt til nye teknologier innen mange fagfelt, som for eksempel nanomedisin og nanoelektronikk.

Grunnen til at edderkoppene og gekkoene klarer å henge fast på veggen, er at de har bitte små hår på beina som er i nanoskala. Det er først på nanonivå at de Van der Waalske kreftene dominerer.

Med stor selvtillit setter Alice i gang med å klatre opp veggen, men faller rett ned igjen. Hun merker til sin fortvilelse at gravitasjonskraften er til stede. Hun befinner seg jo ikke i nanoland og har dessverre ikke bitte små hår på bein og armer til hjelp. Etter å ha fått et slag i trynet av gravitasjonskraften, reiser Alice seg opp igjen. Foran seg ser hun de store, sorte øynene til den sultne edderkoppen.

Hun bråvåkner og befinner seg plutselig ved siden av søsteren sin igjen. Det var bare en drøm. Heldigvis.

Kilde:

Nanotechnology. Understanding Small Systems (3. utgave). Av Ben Rogers, Jesse Adams, Sumita Pennathur.