Atomen och nanotekniken

Vetenskap / Teknik / Nanoteknik /

2012-07-20 Redan för 2400 år sedan påstod den grekiska filosofen Demokritos att världen är uppbyggd av atomer.

Atomer är så klart mycket små. En regndroppe består av flera miljarder atomer. En etta följd av 21 nollor. En atom är en tiondels nanometer och en nanometer är en miljondels millimeter.

Ren spekulation kom även från Lucretius, en romersk författare, några århundraden senare. Men Lucretius hade nästan rätt ändå:

"Universum består av oändlig rymd och ett oändligt antal av icke delbara partiklar, atomer, vars antal emellertid är ändligt... Atomer skiljer sig åt endast till sin form, sin storlek och sin vikt: de är ogenomträngligt hårda, oföränderliga, och utgör gränsen för fysisk delbarhet..." skrev han.

Sedan dröjde det till 1600-talet innan Johannes Kepler funderade på snöflingornas utseende. Deras regelbundna form berodde enligt Keplers skrift som han gav ut år 1611 på att snöflingorna i själva verket bestod av små likformade byggelement.

Först 1912 kom det konkreta bevis från Universitet i Munchen. Och på 1980-talet kunde man först se atomerna och deras byggstenar med mikroskop.

Alla atomer är inte likadana. Det finns över 100 olika atomer, och de har olika storlek och tygnd. Grundämnen kallas de ämnen som endast består av en sorts atomer och vi känner till cirka 110 grundämnen som finns i naturen. Icke-grundämnen, är ämnen uppbyggda av flera sorters atomer: de kallas kemiska föreningar. Grupper av atomer brukar man kalla för molekyler. H2O visar att vattenmolekylen är uppbyggd av två väteatomer och en syreatom.

Nanoteknik och atomer

Att naturen själv ordnar atomerna på ett sådant sätt att de bygger upp vår verklighet och den fysiska delen av världen har fascinerad forskare och gör det fortfarande.

Inom nanotekniken försöker man göra samma sak: strukturera materian in i minsta detalj - ända ner på atomnivå.

Den första demonstrationen på att man kan styra atomer kom 1990 när IBM-forskare lyckades skriva IBM-logot med 35 atomer.

Teknik som berör atomens kärna kan visserligen vara farlig: då kan man tala om explosioner och farlig strålning. Nanoteknik berör atomens skal. Det är på den nivån som nanotekniken utspelar sig.

Atomens uppbyggnad

Atomer består av små delar, som också brukar kallas för "elementarpartiklar". Atomen har även en atomkärna, som innehåller positivt laddade protoner och neutrala neutroner. Elektronerna, som är negativt laddade, rör sig runt kärnan i området med namnet elektronhöljet.

I sin helhet är en atom neutral, eftersom det alltid är lika många protoner och elektroner i en atom. Niels Borh visade att elektronerna fördelades i så kallade elektronskal runt atomen. De fyra första skalen har fått namnet K, L, M och N. I de olika skalen ryms det olika många elektroner. I skal K ryms 2, i skap L ryms 8, i skal M ryms 18 elektroner och i skal N får 32 elektroner plats.

Natrium har till exempel 11 elektroner: 2 i K-skalet, 8 i L-skalet och 1 elektron i M-skalet.

Atomnumret anger antalet protoner i en atom, men eftersom atomen alltid innehåller lika många protoner och lika många elektroner, kommer atomnumret även att ange antalet elektroner.

Hos varje grundämne är antalet protoner alltid densamma, medan antalet neutroner kan variera. Därför har man också infört så kallade masstalet, som anger summan av protoner och neutroner i atomens kärna. 42H visar att masstalet är 4 och antalet protoner (och elektroner) är 2.

Joner

Atomer är varken positiva eller negativa: de är neutrala. I kemiska processer kan däremot atomer ta upp eller avge en eletron och då bildar det negativa eller positiva joner.

Natrium kan om den släpper en elektron bilda en positiv natriumjon:

Na -> Na+ + e-

Klor kan ta upp en elektron och blir negativ:

Cl + e- -> Cl-

Joner kan i sin tur slå ihop sig till jonföreningar.