Artikkel

Bygger superraske sensormaterialer med hulrom

Kristian Blindheim Lausund (t.v.) og Ola Nilsen
Kristian Blindheim Lausund (t.v.) og Ola Nilsen bruker avansert utstyr ved Kjemisk institutt når de lager porøse materialer som kan brukes til å lage superraske sensorer og mer effektive nanofiltre. Foto: Bjarne Røsjø. Bruk bildet.

Bygger superraske sensormaterialer med hulrom

Tynne filmbelegg av ulike materialer er mye brukt i blant annet elektronisk utstyr, men hittil har filmene bestått av tette materialer som ikke er lette å påvirke. Kjemikere ved UiO har nå klart å lage porøse filmer av «supermaterialet» UiO-66, og det åpner døra for fremstilling av en ny generasjon superraske sensor- og filtermaterialer.

UiO-66 er en spesiell kjemisk forbindelse som ble syntetisert for første gang ved Universitetet i Oslo i 2008, og som har vakt stor oppsikt blant kjemikere som jobber med blant annet katalyse. Et raskt søk på Google avslører omtrent 522 000 treff, og antallet stiger stadig.

UiO-66 vokser som en film
Illustrasjonen viser hvordan supermaterialet UiO-66 vokser som en film når zirkoniumklorid reagerer med tereftalsyre. Ill.: UiO Bruk bildet.

UiO-66 har hittil eksistert som pulver, og ble nylig lisensiert av bedriften MOF Apps. Kjemikerne Ola Nilsen og Kristian Blindheim Lausund har nå videreutviklet en teknikk de patenterte i 2006, til også å kunne bygge med hulrom i tillegg til atomer og molekyler. Dermed blir det mulig å lage tynne og porøse filmer bestående av UiO-66.

– Dette kan gjøre det mulig å konstruere for eksempel sensorer med utrolig raske responser. Vi ser også for oss at de nye materialene kan fungere som effektive filtre for sammensatte prøver. Arbeidet er en del av universitetets Diatech-satsing, hvor målet er å utvikle persontilpasset medisin. Vi håper på nye muligheter til å separere blodprøver og finne biomarkører som kan brukes til å diagnostisere sykdom, forteller professor Nilsen.

Eiffeltårnet bygger seg selv

Hemmeligheten bak den nye tynnfilm-teknologien er at Nilsen og Lausund har klart å deponere tynne lag med atomær presisjon av et stabilt porøst materiale. Fremgangsmåten de bruker kan beskrives som en type selvorganisering, et kjent verktøy innen nanoteknologien.

"Kan sammenlignes med å kaste en haug stålbjelker opp i luften, for så å se Eiffeltårnet dannes når de faller til bakken.
"Kaste en haug med stålbjelker opp i luften, for så å se Eiffeltårnet dannes når de faller til bakken". Foto: Colourbox.

– Strukturer bygger seg selv, bare du legger forholdene til rette for det. Tenk deg at du kaster en haug med steiner opp i lufta, og de danner en egyptisk pyramide når de faller ned. Dette er slik teknikken vi bruker tradisjonelt har fungert, hvor de danner tette fine materialer fra en gassfase. Det vi nå har gjort, kan isteden sammenlignes med å kaste en haug med stålbjelker opp i luften, for så å se Eiffeltårnet dannes når de faller til bakken. Det er en meget avansert form for selvorganisering, forteller Nilsen.

– Poenget med en sensor er som regel at den har en overflate som kan reagere med noe annet, og hulrommene i «Eiffeltårnet» vårt gjør at strukturen til sammen har veldig stor overflate. Stålbjelkene i det stående Eiffeltårnet viser jo fram en mye større overflate enn bjelkene i den sammenraste haugen. De mange og regelmessige hulrommene betyr derfor at materialene kan brukes til å lage sensorer med økt sensitivitet. Vi har allerede testet én spesiell sensor, og da fikk vi et utslag som var 200 ganger sterkere og utrolig mye hurtigere med det nye materialet, forteller stipendiaten Kristian Blindheim Lausund.

Et viktig framskritt

Lausund er førsteforfatter på en vitenskapelig artikkel som ble publisert online 23. november 2016 i Nature Communications, som er det Open Access-tidsskriftet som for tiden har høyst gjennomslagskraft (impact factor). De to UiO-forskernes publisering i Nature Communications bekrefter derfor at de har gjort et viktig framskritt.

UiO-66 tilhører en stoffgruppe som kalles metallorganiske rammeverk (MOF), og som har fått sitt navn fordi stoffene består av organiske grupper bundet sammen av metallatomer i en struktur som minner mye om et stillas. MOF-materialene blir ofte omtalt som intelligente og porøse nanomaterialer, og de er for tiden gjenstand for økende interesse blant forskere.

– Vi har ennå ikke utviklet en «killer-applikasjon» med MOF eller UiO-66. Men denne nye tynnfilmteknologien tar feltet et langt skritt videre, mener Ola Nilsen.

Bruker atomer som Lego-klosser

Nilsen og Lausund holder til i kjelleren på Kjemisk institutt, sammen med flere andre forskere som bygger med atomer omtrent på samme måte som folk flest kan bygge med Lego-klosser. Da kan du lage all verdens strukturer og materialer, bare du har de rette byggeklossene.

– I dette tilfellet har vi brukt en teknikk som kalles atomlagsdeponering (ALD). Tidligere har vi lagd materialer av ulike typer oksider og organiske eller uorganiske hybrider, og brukt blant annet metallatomer og organiske molekyler som byggeklosser. Til nå har byggverkene stort sett blitt til fine og tette materialer, til bruk i elektronikk, solceller, biooverflater og nylig også til å lage verdens hurtigste batterimateriale, forteller Nilsen. 

– Men nå har vi utvidet verktøykassa, slik at vi også kan bygge med hulrom. Dette er fundamentalt nytt og forklarer at arbeidet ble publisert i Nature Communications, tilføyer Lausund.

Selve fremgangsmåten for å lage filmer som kombinerer metaller og organiske molekyler med ALD-teknikken ble patentert av forskningsmiljøet allerede i 2006, men det er først nå de har demonstrert vekst av ordnede hulrom.

– Det er ikke nytt i seg selv å lage strukturer med hulrom. Men det å kunne bygge slike materialer kontrollert, som jevne og tynne belegg på en overflate ved å gå gjennom en gassfase, er ganske så grensesprengende. Da er ikke de praktiske anvendelsene langt unna, mener Nilsen.

Både Nilsen og Lausund er tilknyttet UiOs endringsmiljø Diatech, forskningsgruppen Nanostrukkturer og funksjonelle materialer (NAFUMA) og Senter for materialvitenskap og nanoteknologi ved Kjemisk institutt.

Kontakter:

Professor Ola Nilsen, Kjemisk institutt

Stipendiat Kristian Blindheim Lausund, Kjemisk institutt

Vitenskapelig artikkel:

Kristian Blindheim & Ola Nilsen: All-gas-phase synthesis of UiO-66 through modulated atomic layer deposition.  Nature Communications, 23. november 2016.

Les også på Titan.uio.no:

Natur-inspirerte materialer er så smarte at de bygger seg selv

Kjemien som kan gi deg bedre helse

Vi er inne i en kjemisk revolusjon

Naturgass til himmels

Mer informasjon:

Vil du studere ved UiO? Les mer om bachelorstudiet i materialvitenskap for energi- og nanoteknologi.

Kristian Blindheim & Ola Nilsen: Ola and Kristian's atomic LEGO building published in Nature Communications. UiO, november 2016

Yngve Vogt: Verdensrekord i hurtiglading av batterier. Apollon, 25. april 2016

 

Skriv ny kommentar

Verifiser deg (din epost-adresse vil ikke bli vist offentlig)

Les også

Sykt barn i senga

Feilmedisinering av barn kan unngås med 3D-printede tabletter

Foreldre flest kjenner problemet: Minsten er syk og trenger en kvart tablett av en medisin som er tilpasset voksne, men den blir til pulver når du prøver å dele den. Om noen år kan problemet løses ved hjelp av 3D-printere som lager en tablett med nøyaktig riktig dose. Også vanlige printere kan brukes til fremstilling av persontilpasset medisin. 

Henrik Svensen

Steinbra formidler

Henrik Svensen ble tidlig bergtatt av steiner og Jordens eldgamle mysterier. Nå er han hedret for sitt arbeid med å bringe denne kunnskapen ut til folk.