NanoWiki - Brukerbidrag [nb]

Fagoversikt

2012-11-03T19:20:25Z

Eirikgje: /* Emner utenom fagplanen */

Fagoversikt for nanoteknologistudiet for studieåret 2012/2013.

For Studiehåndbok for teknologistudiet (sivilingeniør) ved NTNU 2012/2013 se [http://www.ntnu.no/studier/studiehandbok/teknologi her].

== Felles obligatoriske emner i fagplanen ==

=== 1. klasse ===

{| class="wikitable sortable"
|-
! Fagkode
! Emnetittel
! Semester
! Studiepoeng
|-
| [[TDT4105]]
| Informasjonsteknologi, GK
| 1. Høst
| 7,5
|-
| [[TFE4220]]
| Nanoteknologi intro
| 1. Høst
| 7,5
|-
| [[TMA4100]]
| Matematikk 1
| 1. Høst
| 7,5
|-
| [[TFY4115]]
| Fysikk
| 1. Høst
| 7,5
|-
| [[TMA4105]]
| Matematikk 2
| 2. Vår
| 7,5
|-
| [[TMA4115]]
| Matematikk 3
| 2. Vår
| 7,5
|-
| [[TMT4110]]
| Kjemi
| 2. Vår
| 7,5
|-
| [[EXPH0001]]
| Filosofi og vitenskapsteori
| 2. Vår
| 7,5
|-
|}

=== 2. klasse ===

{| class="wikitable sortable"
|-
! Fagkode
! Emnetittel
! Semester
! Studiepoeng
|-
| [[TKJ4102]]
| Organisk kjemi GK
| 3. Høst
| 7,5
|-
| [[TMA4240]]
| Statistikk
| 3. Høst
| 7,5
|-
| [[TMT4185]]
| Materialteknologi
| 3. Høst
| 7,5
|-
| [[TMA4130]]
| Matematikk 4N
| 3. Høst
| 7,5
|-
| [[TFE4120]]
| Elektromagnetisme
| 4. Vår
| 7,5
|-
| [[TBT4170]]
| Bioteknologi
| 4. Vår
| 7,5
|-
| [[TKJ4215]]
| Statistisk termodynamikk i kjemi og biologi
| 4. Vår
| 7,5
|-
| [[TFE4180]]
| Halvlederteknologi
| 4. Vår
| 7,5
|-
|}

=== 3. klasse ===

{| class="wikitable sortable"
|-
! Fagkode
! Emnetittel
! Semester
! Studiepoeng
|-
| [[TFY4170]]
| Fysikk 2
| 5. Høst
| 7,5
|-
| [[TFY4335]]
| Bionanovitenskap
| 5. Høst
| 7,5
|-
| [[TFY4185]]
| Måleteknikk
| 5. Høst
| 7,5
|-
| [[TMT4320]]
| Nanomaterialer
| 5. Høst
| 7,5
|-
| [[TFY4220]]
| Faste stoffers fysikk
| 6. Vår
| 7,5
|-
| [[TIØ4258]]
| Teknologiledelse
| 6. Vår
| 7,5
|-
|}

=== 4. klasse ===

{| class="wikitable sortable"
|-
! Fagkode
! Emnetittel
! Semester
! Merknad
! Studiepoeng
|-
|
| [[Komplementært emne]]
| 7. Høst
| Velg ett fra listen under
| 7,5
|-
|
| [[Eksperter i team]]
| 8. Vår
|
| 7,5
|-
| [[TFY4330]]
| Nanoverktøy
| 8. Vår
|
| 7,5
|-
|}

=== 5. klasse ===

{| class="wikitable sortable"
|-
! Fagkode
! Emnetittel
! Semester
! Merknad
! Studiepoeng
|-
|
| [[Komplementært emne]]
| 9. Høst
| Velg ett fra listen under
| 7,5
|-
|
| Fordypningsemne
| 9. Høst
|
| 7,5
|-
|
| Fordypningsproskjekt
| 9. Høst
|
| 15
|-
|
| Masteroppgave
| 10. Vår
|
| 30
|-
|}

=== [[Komplementære emner]] ===

{| class="wikitable sortable"
|-
! Fagkode !! Emnetittel !! Studiepoeng
|-
| [[BI3072]] || Miljøtoksikologi || 7,5
|-
| [[FI5206]] || Technology for a good society || 7,5
|-
| [[TEP4223]] || Livssyklusanalyse || 7,5
|-
| [[TIØ4201]] || Risikohåndtering || 7,5
|-
| [[TIØ4230]] || Entreprenørskap og markedsorientert produktutvikling || 7,5
|-
| [[TIØ4295]] || Bedriftsøkonomi || 7,5
|-
| [[TIØ4300]] || Miljøkunnskap, økosystemer og bærekraft || 7,5
|-
| [[TMM4220]] || Innovasjon - Alt er mulig! || 7,5
|-
| [[TVM4162]] || Industriell økologi || 7,5
|-
|}

Det tas ikke hensyn til K-emner ved timeplanlegging.

==Emner for retning Bionano ==

=== 3. klasse ===

{| class="wikitable sortable"
|-
! Fagkode
! Emnetittel
! Semester
! Merknad
! Studiepoeng
|-
| [[TKP4115]]
| Overflate- og kolloidkjemi
| 6. Vår
|
| 7,5
|-
| [[TBT4110]]
| Mikrobiologi
| 6. Vår
|
| 7,5
|-
| [[TFY4195]]
| Optikk
| 6. Vår
| Anbefalt
| 7,5
|-
| [[TFE4160]]
| Elektrooptikk og lasere
| 6. Vår
|
| 7,5
|-
| [[TFY4260]]
| Cellebiologi og cellulær biofysikk
| 6. Vår
| Obligatorisk
| 7,5
|-
| [[TMM4100]]
| Materialteknikk I
| 6. Vår
|
| 7,5
|-
| [[TMM4175]]
| Polymerer og kompositter
| 6. Vår
|
| 7,5
|-
|}

=== 4. klasse ===

{| class="wikitable sortable"
|-
! Fagkode
! Emnetittel
! Semester
! Merknad
! Studiepoeng
|-
| [[MOL3014]]
| Nanomedisin I - Bioanalyse
| 7. Høst
| Obligatorisk
| 7,5
|-
| [[MOL3005]]
| Immunologi
| 7. Høst
|
| 7,5
|-
| [[NEVR3001]]
| Basal nevrovitenskap
| 7. Høst
|
| 7,5
|-
| [[TBT4135]]
| Biopolymerkjemi
| 7. Høst
| (1)
| 7,5
|-
| [[TFE4225]]
| MEMS-design
| 7. Høst
|
| 7,5
|-
| [[TFY4265]]
| Biofysiske mikroteknikker
| 7. Høst
| Anbefalt
| 7,5
|-
| [[MOL3015]]
| Nanomedisin II - Terapi
| 8. Vår
| Obligatorisk
| 7,5
|-
| [[TFY4195]]
| Optikk
| 8. Vår
|
| 7,5
|-
| [[TOKS3001]]
| Medisinsk toksikologi
| 8. Vår
|
| 7,5
|-
| [[TBT4110]]
| Mikrobiologi
| 8. Vår
| (2)
| 7,5
|-
|}

(1) Anbefalt emne for studenter som planlegger fordypningsprosjekt eller master ved Institutt for bioteknologi.

(2) Ikke hensyn til ved time- og eksamensplanlegging.

==Emner for retning Nanomaterialer ==

=== 3. klasse ===

{| class="wikitable sortable"
|-
! Fagkode
! Emnetittel
! Semester
! Merknad
! Studiepoeng
|-
| [[TKP4115]]
| Overflate- og kolloidkjemi
| 6. Vår
| Obligatorisk
| 7,5
|-
| [[TKP4190]]
| Fabrikasjon og anvendelse av nanomaterialer
| 6. Vår
| (1)
| 7,5
|-
| [[TEP4220]]
| Energi og miljøkonsekvensanalyse
| 6. Vår
|
| 7,5
|-
| [[TKP4130]]
| Polymerkjemi
| 6. Vår
|
| 7,5
|-
| [[TMT4285]]
| Hydrogenteknologi, brenselceller og solceller
| 6. Vår
|
| 7,5
|-
| [[TDT4100]]
| Objektorientert programmering
| 6. Vår
|
| 7,5
|-
| [[TFE4160]]
| Elektrooptikk og lasere
| 6. Vår
| (2)
| 7,5
|-
|}

(1) Obligatorisk, emnet må velges i 3. eller 4. årskurs.

(2) Tas ikke hensyn til ved time- og eksamensplanlegging.

=== 4. klasse ===

{| class="wikitable sortable"
|-
! Fagkode
! Emnetittel
! Semester
! Merknad
! Studiepoeng
|-
| [[TFE4145]]
| Elektronfysikk
| 7. Høst
|
| 7,5
|-
| [[TFY4300]]
| Energi og miljøfysikk
| 7. Høst
|
| 7,5
|-
| [[TKJ4205]]
| Molekylmodellering
| 7. Høst
|
| 7,5
|-
| [[TKP4155]]
| Reaksjonskinetikk og katalyse
| 7. Høst
|
| 7,5
|-
| [[TKT4146]]
| Nanomekanikk
| 7. Høst
|
| 7,5
|-
| [[TMT4145]]
| Keramisk materialvitenskap
| 7. Høst
|
| 7,5
|-
| [[TMT4155]]
| Heterogene likevekter og fasediagram
| 7. Høst
|
| 7,5
|-
| [[TFY4250]]
| Kvantemekanikk 1
| 7. Høst
| (1)
| 7,5
|-
| [[TMT4222]]
| Metallenes mekaniske egenskaper
| 7. Høst
| (1)
| 7,5
|-
| [[TFY4245]]
| Faststoff-fysikk, videregående kurs
| 8. Vår
|
| 7,5
|-
| [[TKP4190]]
| Fabrikasjon og anvendelse av nanomaterialer
| 8. Vår
| (2)
| 7,5
|-
| [[TMM4162]]
| Atomistisk modellering av brudd i materialer
| 8. Vår
|
| 7,5
|-
| [[TMT4245]]
| Funksjonelle materialer
| 8. Vår
|
| 7,5
|-
| [[TFE4210]]
| Nanoelektronikk
| 8. Vår
| (1)
| 7,5
|-
| [[TFE4230]]
| Nanofotonikk
| 8. Vår
| (1)
| 7,5
|-
| [[TKP4130]]
| Polymerkjemi
| 8. Vår
| (1)
| 7,5
|-
| [[TKP4180]]
| Bioenergi og fiberteknologi
| 8. Vår
| (1)
| 7,5
|-
| [[TMM4175]]
| Polymerer og kompositter
| 8. Vår
| (1)
| 7,5
|-
| [[TMT4166]]
| Eksperimentell material- og elektrokjemi
| 8. Vår
| (1)
| 7,5
|-

|}

(1) Ikke hensyn ved time- og eksamensplanlegging.

(2) Obligatorisk, emnet må velges i 3. eller 4. årskurs.

==Emner for retning Nanoelektronikk ==

=== 3. klasse ===

{| class="wikitable sortable"
|-
! Fagkode
! Emnetittel
! Semester
! Merknad
! Studiepoeng
|-
| [[TDT4100]]
| Objektorientert programmering
| 6. Vår
|
| 7,5
|-
| [[TDT4102]]
| Prosedyre- og objektorientert programmering
| 6. Vår
|
| 7,5
|-
| [[TFY4195]]
| Optikk
| 6. Vår
|
| 7,5
|-
| [[TFE4160]]
| Elektrooptikk og lasere
| 6. Vår
|
| 7,5
|-
| [[TFY4235]]
| Numerisk fysikk
| 6. Vår
|
| 7,5
|-
|}

=== 4. klasse ===

{| class="wikitable sortable"
|-
! Fagkode
! Emnetittel
! Semester
! Merknad
! Studiepoeng
|-
| [[FY3114]]
| Funksjonelle materialer
| 7. Høst
|
| 7,5
|-
| [[TFE4145]]
| Elektronfysikk
| 7. Høst
| Anbefalt
| 7,5
|-
| [[TFE4165]]
| Anvendt fotonikk
| 7. Høst
|
| 7,5
|-
| [[TFE4225]]
| MEMS-design
| 7. Høst
|
| 7,5
|-
| [[TFY4250]]
| Kvantemekanikk 1
| 7. Høst
|
| 7,5
|-
| [[TFY4205]]
| Kvantemekanikk 2
| 7. Høst
|
| 7,5
|-
| [[TFE4210]]
| Nanoelektronikk
| 8. Vår
| Anbefalt
| 7,5
|-
| [[TFE4230]]
| Nanofotonikk
| 8. Vår
|
| 7,5
|-
| [[TFE4235]]
| Biomedisinsk optikk
| 8. Vår
| (1)
| 7,5
|-
| [[TFY4210]]
| Kvanteteori for mangepartikkelsystemer
| 8. Vår
|
| 7,5
|-
| [[TFY4245]]
| Faststoff-fysikk, videregående kurs
| 8. Vår
|
| 7,5
|-
| [[TFY4340]]
| Mesoskopisk fysikk
| 8. Vår
|
| 7,5
|-
|}

(1) Ikke hensyn ved time- og eksamensplanlegging

==Emner utenom fagplanen==

{| class="wikitable sortable"
|-
! Fagkode
! Emnetittel
! Studiepoeng
|-
| [[NEVR2010]]
| Innføring i nevrovitenskap
| 15
|-
| [[NEVR2010|NEVR2020]]
| Innføring i nevrovitenskap
| 7,5
|-
| [[MFEL1010]]
| Innføring i medisin for ikke-medisinere
| 7,5
|-
| [[FY3020]]
| Romteknologi I
| 7,5
|-
| [[TTT4235]]
| Romteknologi II
| 7,5
|-
| [[JAP0501]]
| Japansk I
| 7,5
|-
| [[TFY4255]]
| Materialfysikk
| 7,5
|-
| [[IØ6022]]
| Midt-Norge Take-off
| 7,5
|-
|}

==Eldre fagplaner==
*[[Emner i fagplanen 2011/2012]]
*[[Emner i fagplanen 2010/2011]]
*[[Emner i fagplanen 2009/2010]]
*[[Emner i fagplanen 2008/2009]]

TMT4285 - Hydrogenteknologi, brenselceller og solceller

2012-11-03T19:14:10Z

Eirikgje:

{{Infobox
|Fakta vår 2010
|*Foreleser: Svein Sunde
*Vurderingsform: Skriftlig eksamen
*Eksamensdato: 26. mai
*Pensum:
**Fuel Cell Systems - Explained, 2. ed., James Larminie and Andrew Dicks, Wiley (2003), ISBN-0-470-84857-X.
**Solar Electricity, ed. by Tomas Markvart, 2.ed., Wiley (2000), ISBN-0-471-98852-9 (ppc) eller ISBN-0-471-98853-7 (paper back).

}}

{{Infobox
|Øvingsopplegg vår 2010
|* Antall godkjente: ??/??
* Innleveringssted: ???
* Frist: ???
}}

{{Infobox
|Lab vår 2010
|* Info om lab
}}

Solstråling. Halvledere. Elektrisk energi fra solceller, virkemåte og karakteristikker. Framstilling av silisium-solceller. Tapsprosesser og virkningsgrad. Dimensjonering og konstruksjon av solcelleanlegg. Framstilling og lagring av hydrogen. Vannelektrolyse. Elektrisk energi fra brenselceller. Termodynamiske og kinetiske beregninger for elektrolyseceller og brenselceller. Sikkerhet og håndtering av hydrogen. Eksempler på anvendelser av solceller og hydrogen som energibærer i stasjonære og mobile systemer. Integrasjon av distribuerte systemer basert på solceller, hydrogen og brenselceller. Økonomiske og markedsmessige rammebetingelser for introduksjon- og bruk av effektive energisystemer basert på fornybare ressurser.

Foreleser Svein Sunde har størsteparten av forelesningene, er god til å forklare faget og bruker en lettfattelig britisk-engelsk. Åpen bok-eksamen, men det betyr ikke at den er enkel.

Faginformasjon på [http://classmate.no/course/ntnu/TMT4285 Classmate]

== Eksterne linker ==
*[http://www.ntnu.no/studier/emner?emnekode=TMT4285 NTNUs fagbeskrivelse]
*[http://www.ntnu.no/studieinformasjon/timeplan/v10/?emnekode=TMT4285-1 Timeplan Vår10]

[[Kategori:Fag 6. semester]]
[[Kategori:Fag]]
[[Kategori:Valgbare emner]]

TMT4285 - Hydrogenteknologi, brenselceller og solceller

2012-11-03T19:11:52Z

Eirikgje:

{{Infobox
|Fakta vår 2010
|*Foreleser: Svein Sunde
*Vurderingsform: Skriftlig eksamen
*Eksamensdato: 26. mai
*Pensum:
**Fuel Cell Systems - Explained, 2. ed., James Larminie and Andrew Dicks, Wiley (2003), ISBN-0-470-84857-X.
**Solar Electricity, ed. by Tomas Markvart, 2.ed., Wiley (2000), ISBN-0-471-98852-9 (ppc) eller ISBN-0-471-98853-7 (paper back).

}}

{{Infobox
|Øvingsopplegg vår 2010
|* Antall godkjente: ??/??
* Innleveringssted: ???
* Frist: ???
}}

{{Infobox
|Lab vår 2010
|* Info om lab
}}

Solstråling. Halvledere. Elektrisk energi fra solceller, virkemåte og karakteristikker. Framstilling av silisium-solceller. Tapsprosesser og virkningsgrad. Dimensjonering og konstruksjon av solcelleanlegg. Framstilling og lagring av hydrogen. Vannelektrolyse. Elektrisk energi fra brenselceller. Termodynamiske og kinetiske beregninger for elektrolyseceller og brenselceller. Sikkerhet og håndtering av hydrogen. Eksempler på anvendelser av solceller og hydrogen som energibærer i stasjonære og mobile systemer. Integrasjon av distribuerte systemer basert på solceller, hydrogen og brenselceller. Økonomiske og markedsmessige rammebetingelser for introduksjon- og bruk av effektive energisystemer basert på fornybare ressurser.

Faginformasjon på [http://classmate.no/course/ntnu/TMT4285 Classmate]

== Eksterne linker ==
*[http://www.ntnu.no/studier/emner?emnekode=TMT4285 NTNUs fagbeskrivelse]
*[http://www.ntnu.no/studieinformasjon/timeplan/v10/?emnekode=TMT4285-1 Timeplan Vår10]

[[Kategori:Fag 6. semester]]
[[Kategori:Fag]]
[[Kategori:Valgbare emner]]

TFY4300 - Energi og miljøfysikk

2012-11-03T19:09:47Z

Eirikgje:

{{Infobox
|Fakta høst 2009
|*Foreleser:Patrick Joseph Espy
*Stud-ass:
*Vurderingsform: Skriftlig eksamen
*Eksamensdato. 7. desember
*Pensumlitteratur:
**E. Boeker and R. van Grondelle, Environmental Science - Physical Principles and Applications, John Wiley & Sons, 2001 (ISBN 0-471-49577-8)
**J. Twidell and T. Weir, Renewable Energy Resources - Second Edition, Taylog & Francis, 2006 (ISBN 0-419-25330-0)
}}

== Kort om faget ==

Studentene skal kunne beskrive og forklare opphavet til globale effekter på miljøet som skyldes menneskelige aktiviteter. Studentene skal kunne beskrive det fysiske grunnlaget for utnyttelse av ulike energikilder, og kunne bruke dette til vurdering av de ulike energiteknologiene (potensiale, fordeler og ulemper). Studentene skal også kunne beskrive energiteknologiene og gjøre beregninger av virkningsgrad/utbytte for dem.

Foreleser, Patrick Espy, er en kanadisk foreleser med stort engasjement, og som klarer å formidle emnet på en engasjerende måte, på (naturlig nok) god og forståelig engelsk.

Faginformasjon på [http://classmate.no/course/ntnu/TFY4300 Classmate]

== Eksterne linker ==

*[http://www.ntnu.no/studier/emner?emnekode=TFY4300 NTNUs fagbeskrivelse]
*[http://www.ntnu.no/studieinformasjon/timeplan/h09/?emnekode=TFY4300-1 Timeplan Høst09]

TIØ4230

2012-11-03T19:07:42Z

Eirikgje: Ny side: Faginformasjon fra [http://classmate.no/course/ntnu/TIØ984230 Classmate]

Faginformasjon fra [http://classmate.no/course/ntnu/TIØ984230 Classmate]

TMM4220 - Innovasjon

2012-11-03T19:05:55Z

Eirikgje:

{{Infobox
|Fakta høst 2011
|*Foreleser: Sjur Dagestad
*Stud-ass: ???
*Vurderingsform: Arbeider (100%)
}}

'''TMM4220 - Innovasjon''' er ett av emnene som er satt opp som [[Komplementært emne|K-emne]] for MTNANO.

== Om emnet ==
Dette kurset omfatter blant annet de tidlige fasene i produktutviklingsprosessen, hvor ideene florerer og kreativitet blomstrer (eller burde blomstre). I kurset kommer vi inn på viktige elementer i denne fasen, så som: paradigmeskiftet, kreativitet, kreativ trening, ideprosesser, nyskaping, mentale blokkeringer, nær kunden opplevelser, umuligheter og muligheter, kultur, strategi, visjon, historiefortelling, drømmesamfunnet, følelser og funksjon. Emnet er et rebellkurs.

Anmeldelse fra [http://classmate.no/course/ntnu/TMM4220 Classmate]:
"Tanken jeg sitter igjen med etter jeg nesten er ferdig med faget er:
Hvorfor ser vi ikke flere forelesere som Sjur Dagestad på NTNU? Han er engasjerende, morsom og har mange artige historier som bygger opp om pensum, noe som gjenspeiles i faget som helhet!"

Nyttige sider

2011-03-11T22:53:04Z

Eirikgje:

*[[Utveksling]]
*Hvordan skrive en god [[rapport]]
**[[Rapport#LaTeX_rapportmal|LaTeX rapportmal]]
*Mal for [[fagmal|fagsider]]
*[[Etterspurte_Artikler|Ønsker?]]
*Populærvitenskapelig foredrag om [[Medium:Desuconpres.pdf|Nanoteknologi]] (2010; Copyright eirikgje, mas, chrisdi)

Nyttige sider

2011-03-11T22:52:07Z

Eirikgje:

*[[Utveksling]]
*Hvordan skrive en god [[rapport]]
**[[Rapport#LaTeX_rapportmal|LaTeX rapportmal]]
*Mal for [[fagmal|fagsider]]
*[[Etterspurte_Artikler|Ønsker?]]

Nyttige sider

2011-03-11T22:51:22Z

Eirikgje:

Fil:Desuconpres.pdf

2011-03-11T22:50:33Z

Eirikgje: Presentasjon om Nanoteknologi holdt ved Desucon i 2010. Copyright; eirikgje, mas, chrisdi

Presentasjon om Nanoteknologi holdt ved Desucon i 2010. Copyright; eirikgje, mas, chrisdi

Nyttige sider

2011-03-11T22:44:40Z

Eirikgje:

*[[Utveksling]]
*Hvordan skrive en god [[rapport]]
**[[Rapport#LaTeX_rapportmal|LaTeX rapportmal]]
*Mal for [[fagmal|fagsider]]
*[[Etterspurte_Artikler|Ønsker?]]
*Populærvitenskapelig foredrag om [[desuconpres|Nanoteknologi]] (2010; Copyright eirikgje, mas, chrisdi)

Institut National de Polytechnique (INP Grenoble)

2010-11-15T17:37:52Z

Eirikgje: /* Hva koster det */

{{Infobox
|Fakta
|*'''Land:''' Frankrike
*'''Beliggenhet:''' Grenoble, Rhône-Alpes
*'''Studenter:''' --
*'''Nettsted:''' [http://grenoble-inp.fr]
}}

== Litt generell informasjon om INP Grenoble ==
* 5100 studenter
* 27% internasjonale studenter

== Hvordan søke ==

== Hva koster det ==

Skole:
Norsk semesteravgift pluss et lite registreringsgebyr på 20-30 Euro. Nesten gratis, med andre ord.

Bolig:
Et rom i et bofellesskap i sentrum kan gjerne komme på 350 Euro pluss/minus, mens du bor i helt greie universitetsboliger for 200-400 Euro, men da bor du lengre unna sentrum. Frankrike tilbyr CAF, boligstøtte, til alle som bor i landet, dvs deg også. Her kan du fort ende opp med å få 1/3 til helt opp mot halvparten av leien din dekket, men det tar litt tid å få den, så det må søkes tidlig. Med andre ord kan du fort ende opp med å betale rundt eller under 2000 i måneden for et rom som ville kostet 3500+ i Trondheim.

Mat og hverdag:
Her kommer det veldig an på hvordan du lever livet ditt. Men mat gjennom universitetet er subsidiert og billig, du betaler f.eks. 3 Euro for en tre-retters varm lunsj i kantina, og da er du mett til godt etter norsk middagstid. Mat er billigere, men vanskelig å sammenligne helt hvor mye da man ikke har de samme variantene av alt. Vin er helt sjef, de billige vinene fås for under en euro, de gode vinene koster gjerne rundt 2-3 Euro.

Transport:
Grenoble er en by der det er veldig bra å ha sykkel, byen i seg selv er paddeflat med gode sykkelstier og egne trafikklys for tohjulinger. Er du her i et år anbefales det å kjøpe en brukt sykkel, skal du være bare ett semester går det fint an å leie bysykkel (du får en egen sykkel med lås og det hele, ikke sånn som i Trondheim/Oslo) for 15 Euro i mnd.
Månedskort med studentpris på trikk og buss går for 24 Euro, godt billigere enn i Trondheim. Du bør regne med å skaffe enten sykkel eller busskort, du må veldig fort til den andre siden av byen til fester eller for å fikse noen papirer e.l.

== Fagtilbud ==
Den eneste teknologiskolen i Frankrike som spesialiserer seg i nanoteknologi. PHELMA skolen under INPG har bl.a. masterprogrammer i energifysikk, nanoteknologi (med hovedvekt på nanoelektronikk) og funksjonelle materialer (sistnevnte på engelsk)

== Godkjenning av fag ==

== Byen Grenoble ==

En utrolig studentvennlig by som virker mindre enn den er (300 - 400 000 innbyggere), hvor det er lett å få kontakt med studenter enten du foretrekker å snakke engelsk eller fransk, men snakker du engelsk, blir det nok vanskeligere å få kontakt med franskmenn. Franskmenn generelt liker oss nordboere (spesielt de med blondere hårfarge, pussig nok), og kommer du i den riktige klassen (bank i bordet) eller blir kjent med de rette folka, blir du stadig vekk dratt med på ting, enten det er fester, fjellturer, ferier e.l.

Grenoble ligger klint mellom tre fjellkjeder og er en utmerket by for å drive sport, der de mest populære sportene er ski og klatring. Klatringsmulighetene i nærheten er nærmest uendelige og det er et veldig aktivt klatremiljø. Blir du med i universitetsklubben for klatring kan du fritt bruke klatrehaller innendørs underveis i uka, være med på ekskursjoner utendørs nærmest hver eneste lørdag og søndag, og dra nytte av forskjellige relevante kurs som arrangeres. Som ski-/ snowboardby ligger den bare en drøy times kjøring unna skisentre som Alpe d'Huez, Les Deux Alpes og Val d'Isère, som er veldig store i norsk målestokk og hver har sine fordeler og ulemper. Medlemsskap i universitetenes skiklubb fikser billig reise og skikort.

Du kan få 1,5 studiepoeng for sport for hvert halvår, men så koster det litt å bli med i de forskjellige klubbene (som du må være for å få stpoeng) og å melde seg inn for å ta sportspoengene.

== Erfaringer ==

== Nyttige tips ==

== Se også ==

[[Utveksling]]

== Nyttige lenker ==
[http://editions.campusfrance.org/etabs/par_fiche/en/ing_inp_grenoble_en.pdf Generell info om INP Grenoble]

[[Kategori:Utveksling]]

Institut National de Polytechnique (INP Grenoble)

2010-11-15T17:20:14Z

Eirikgje: /* Byen Grenoble */

Institut National de Polytechnique (INP Grenoble)

2010-11-15T17:05:20Z

Eirikgje: /* Hva koster det */

Institut National de Polytechnique (INP Grenoble)

2010-07-21T20:40:40Z

Eirikgje: /* Litt generell informasjon om INP Grenoble */

Institut National de Polytechnique (INP Grenoble)

2010-07-21T20:40:26Z

Eirikgje: /* Litt generell informasjon om INP Grenoble */

Institut National de Polytechnique (INP Grenoble)

2010-07-21T20:37:57Z

Eirikgje: /* Fagtilbud */

{{Infobox
|Fakta
|*'''Land:''' Frankrike
*'''Beliggenhet:''' Grenoble, Rhône-Alpes
*'''Studenter:''' --
*'''Nettsted:''' [http://grenoble-inp.fr]
}}

== Litt generell informasjon om INP Grenoble ==

== Hvordan søke ==

== Hva koster det ==

== Fagtilbud ==
Den eneste teknologiskolen i Frankrike som spesialiserer seg i nanoteknologi. PHELMA skolen under INPG har bl.a. masterprogrammer i energifysikk, nanoteknologi (med hovedvekt på nanoelektronikk) og funksjonelle materialer (sistnevnte på engelsk)

== Godkjenning av fag ==

== Byen Grenoble ==

== Erfaringer ==

== Nyttige tips ==

== Se også ==

[[Utveksling]]

== Nyttige lenker ==
[http://editions.campusfrance.org/etabs/par_fiche/en/ing_inp_grenoble_en.pdf Generell info om INP Grenoble]

[[Kategori:Utveksling]]

Institut National de Polytechnique (INP Grenoble)

2010-07-21T20:35:01Z

Eirikgje: /* Nyttige lenker */

{{Infobox
|Fakta
|*'''Land:''' Frankrike
*'''Beliggenhet:''' Grenoble, Rhône-Alpes
*'''Studenter:''' --
*'''Nettsted:''' [http://grenoble-inp.fr]
}}

== Litt generell informasjon om INP Grenoble ==

== Hvordan søke ==

== Hva koster det ==

== Fagtilbud ==

== Godkjenning av fag ==

== Byen Grenoble ==

== Erfaringer ==

== Nyttige tips ==

== Se også ==

[[Utveksling]]

== Nyttige lenker ==
[http://editions.campusfrance.org/etabs/par_fiche/en/ing_inp_grenoble_en.pdf Generell info om INP Grenoble]

[[Kategori:Utveksling]]

Universitat de Barcelona (UB)

2010-05-05T13:23:16Z

Eirikgje: Ny side: {{Infobox |Fakta |*'''Land:''' Spania *'''Beliggenhet:''' Barcelona, Catalonia *'''Studenter:''' -- *'''Nettsted:''' [http://ub.es] }} == Litt generell informasjon om UB == == Hvordan...

{{Infobox
|Fakta
|*'''Land:''' Spania
*'''Beliggenhet:''' Barcelona, Catalonia
*'''Studenter:''' --
*'''Nettsted:''' [http://ub.es]
}}

== Litt generell informasjon om UB ==

== Hvordan søke ==

== Hva koster det ==

== Fagtilbud ==

== Godkjenning av fag ==

== Byen Barcelona ==

== Erfaringer ==

== Nyttige tips ==

== Se også ==

[[Utveksling]]

== Nyttige lenker ==

[[Kategori:Utveksling]]

Eidgenössische Technische Hochschule (ETH Zürich)

2010-05-05T13:22:10Z

Eirikgje: Ny side: {{Infobox |Fakta |*'''Land:''' Sveits *'''Beliggenhet:''' Zürich *'''Studenter:''' -- *'''Nettsted:''' [http://ethz.ch] }} == Litt generell informasjon om ETH Zürich == == Hvordan s...

{{Infobox
|Fakta
|*'''Land:''' Sveits
*'''Beliggenhet:''' Zürich
*'''Studenter:''' --
*'''Nettsted:''' [http://ethz.ch]
}}

== Litt generell informasjon om ETH Zürich ==

== Hvordan søke ==

== Hva koster det ==

== Fagtilbud ==

== Godkjenning av fag ==

== Byen Zürich ==

== Erfaringer ==

== Nyttige tips ==

== Se også ==

[[Utveksling]]

== Nyttige lenker ==

[[Kategori:Utveksling]]

Université Montpellier II (UM2)

2010-05-05T13:20:31Z

Eirikgje:

{{Infobox
|Fakta
|*'''Land:''' Frankrike
*'''Beliggenhet:''' Montpellier
*'''Studenter:''' --
*'''Nettsted:''' [http://univ-montp2.fr]
}}

== Litt generell informasjon om UM2 ==

== Hvordan søke ==

== Hva koster det ==

== Fagtilbud ==

== Godkjenning av fag ==

== Byen Montpellier ==

== Erfaringer ==

== Nyttige tips ==

== Se også ==

[[Utveksling]]

== Nyttige lenker ==

[[Kategori:Utveksling]]

Université Montpellier II (UM2)

2010-05-05T13:20:10Z

Eirikgje: Ny side: {{Infobox |Fakta |*'''Land:''' Frankrike *'''Beliggenhet:''' Montpellier *'''Studenter:''' -- *'''Nettsted:''' [http://univ-montp2.fr] }} == Litt generell informasjon om INP Grenoble == ...

{{Infobox
|Fakta
|*'''Land:''' Frankrike
*'''Beliggenhet:''' Montpellier
*'''Studenter:''' --
*'''Nettsted:''' [http://univ-montp2.fr]
}}

== Litt generell informasjon om INP Grenoble ==

== Hvordan søke ==

== Hva koster det ==

== Fagtilbud ==

== Godkjenning av fag ==

== Byen Montpellier ==

== Erfaringer ==

== Nyttige tips ==

== Se også ==

[[Utveksling]]

== Nyttige lenker ==

[[Kategori:Utveksling]]

Institut National des Sciences Apliquées (INSA Lyon)

2010-05-05T13:19:15Z

Eirikgje: Ny side: {{Infobox |Fakta |*'''Land:''' Frankrike *'''Beliggenhet:''' Lyon *'''Studenter:''' -- *'''Nettsted:''' [http://insa-lyon.fr] }} == Litt generell informasjon om INSA Lyon == == Hvorda...

{{Infobox
|Fakta
|*'''Land:''' Frankrike
*'''Beliggenhet:''' Lyon
*'''Studenter:''' --
*'''Nettsted:''' [http://insa-lyon.fr]
}}

== Litt generell informasjon om INSA Lyon ==

== Hvordan søke ==

== Hva koster det ==

== Fagtilbud ==

== Godkjenning av fag ==

== Byen Lyon ==

== Erfaringer ==

== Nyttige tips ==

== Se også ==

[[Utveksling]]

== Nyttige lenker ==

[[Kategori:Utveksling]]

Utveksling

2010-05-05T13:17:13Z

Eirikgje: /* Utvekslingssteder */

== Standard ting ==

Det kan være greit å finne ut hvor man vil, og hva man vil ved å dra ut.
Når man vet hvor, så er det litt greiere å finne ut hva man vil; lære et språk, finne et sted med bedre kompetanse, høste kulturerfaring, unngå Trondheimsklimaet, skaffe kontakter eller bare få seg et år borte fra de andre på linja.

Uansett er det visse ting man må finne ut:

*Noe om universitetet: Gå på hjemmesida til universitet, eller søk etter informasjon hos [http://www.ntnu.no/studier/studier_i_utlandet/land internasjonal seksjon].
*Få [http://www.ntnu.no/eksternweb/multimedia/archive/00031/Forh_ndsgodkjennings_31079a.pdf godkjenning] hos fakultetet når du har funnet ut av fagene.
*Søk om støtte hos [http://www.lanekassen.no/templates/Page____5505.aspx Lånekassa] og hos [https://www.intersek.ntnu.no/soknadsskjema/ Internasjonal seksjon].

Ellers er Internajsonalt Hus på Gløshaugen et sted å gå for å få mer informasjon og det finner du på [http://www.ntnu.no/ntnukart//no/gloshaugen.gif dette kartet] (øverst i venstre hjørne).

Ved utveksling utenom 4. året, da med tanke på masteroppgaven, eventuelt Ph.D, så er det viktigste å kontakte faglærere og finne ut av hvem som har kontakter hvor, for da går det mye på hvem som kjenner hvem.

== Praktiske ting ==

Det kan i mange tilfeller være greit å være litt tidlig ute med følgende ting:
*Forsikring - skaff en spesialforsikring for studenter i utlandet enten via ANSA eller ditt forsikringsselskap
*Enkelte steder er det knot å få seg en plass i faget, men bare besøk professorens kontor, etter litt korrespondanse via mail, og snakk med ham/henne så ordner slikt seg.
*Velg deg ut en hel haug med fag! Er ikke alltid du er like heldig med fagvalgenes ledighet og tilgjengelighet...
*Kom ned litt tidlig slik at du har tid til å skaffe bolig, da det er litt kjedelig å bo på hostell når du begynner med undervisninga. Dette kan selvfølgelig i noen tilfeller ordnes hjemme fra Norge, men det er greiere å se hva du får før du sier ja.

== Utvekslingssteder ==

Her er en oversikt over noen forslag til universiteter rundt om i verden, en del av dem med tanke på at de bedriver litt med nanoteknologi på noen av sine fakulteter og muligens har programmer for utdanning innen vårt fagfelt:

{| class="wikitable sortable"
|-
! Institusjon
! Land
! Beliggenhet
! Avtale med NTNU
|-
| [[Universitetet i Oslo]]
| Norge
| Oslo
| ?
|-
| [[University of California, Berkeley]]
| USA
| Berkeley, California
| Delvis
|-
| [[University of Waterloo]]
| Canada
| Waterloo, Ontario
| Ja
|-
| [[California Institute of Technology]]
| USA
| Pasadena, California
| Nei
|-
| [[Seoul National University]]
| Korea
| Seoul
| Ja
|-
| [[Osaka Prefecture University]]
| Japan
| Osaka
| Ja
|-
| [[Tokyo Instuitute of Technology]]
| Japan
| Tokyo
| Ja
|-
| [[Waseda University]]
| Japan
| Shinjuku, Tokyo
| Ja
|-
| [[University of Alberta]]
| Canada
| Edmonton, Alberta
| Ja
|-
| [[Cornell University]]
| USA
| Ithaca, New York
| Nei
|-
| [[University of California, San Diego]]
| USA
| San Diego, California
| Ja(?)
|-
| [[University of Guelph]]
| Canada
| Guelph, Ontario
| Nei
|-
| [[Penn State University]]
| USA
| Centre County, Pennsylvania
| Ja (Bare lærerutdanning?)
|-
| [[Korea Advanced Institute of Science and Technology]] (KAIST)
| Korea
| Yuseong, Deajeon
| Ja
|-
| [[TU Delft]]
| Nederland
| Delft
| Ja, Erasmus
|-
| [[Massachusetts Institute of Technology (MIT)]]
| USA
| Cambridge, Massachusetts
| Nei
|-
| [[University of Colorado at Boulder (CU Boulder)]]
| USA
| Boulder, Colorado
| Nei
|-
|[[Institut National de Polytechnique (INP Grenoble)]]
| Frankrike
| Grenoble, Rhône-Alpes
| Ja
|-
|[[Institut National des Sciences Apliquées (INSA Lyon)]]
| Frankrike
| Lyon
| Ja
|-
|[[Université Montpellier II (UM2)]]
| Frankrike
| Montpellier
| Ja
|-
|[[Eidgenössische Technische Hochschule (ETH Zürich) ]]
| Sveits
| Zürich
| Ja
|-
|[[Universitat de Barcelona (UB)]]
| Spania
| Barcelona, Catalonia
| Ja (kun innen nanoteknologi)
|}

Det at NTNU har avtale med universitet kan bety litt forskjellig. Det kan variere fra at man får totalt fritak av betaling av skolepenger til at man bare får et lite avslag i prisen. For mer informasjon bes det tas kontakt med Internasjonal Seksjon.

== Finansiering av utdanning ==

* [http://www.lanekassen.no/templates/Page____9098.aspx Lånekassen]
* [https://www.intersek.ntnu.no/soknadsskjema/ Stipend fra NTNU]
* [http://www.legathandboken.no/ Legathåndboken]
* [http://www.fulbright.no/Fulbright_Grants/Norwegians_to_the_US/Fulbright+stipend+for+norske+studenter+til+USA.E3p1MY7.ips Fullbright-stipend (kun USA)]
* [http://www.noram.no/index.php?side_id=75&vis=1 NORAM-stipend (kun USA og Canada)]

== Utvekslingsrapporter ==
Mange studenter fra NTNU får utvekslingsstipend fra Internasjonal Seksjon. For å få utbetalt stipendet må man skrive en rapport som legges inn i [https://www.intersek.ntnu.no/rapport/FMPro?-db=Rapport.fp5&-lay=www&-format=search.htm&-view database]. Nedenfor er ei liste med utvekslingsrapporter skrevet av nanoteknologistudenter.

===Nederland===
===Singapor===
===Sveits===
===USA===
[https://www.intersek.ntnu.no/rapport/FMPro?-db=rapport.fp5&-format=record_detail.htm&-lay=www&-sortfield=-none-&-op=cn&City=Boulder&-max=10&-recid=40002&-find= University of Colorado at Boulder] vår 2010, skrevet av Sigmund Østtveit Størset, [[Bionanoteknologi]]

[https://www.intersek.ntnu.no/rapport/FMPro?-db=rapport.fp5&-format=record%5fdetail.htm&-lay=www&-sortfield=-none-&-op=cn&Land=USA&-op=cn&Vertsinstitusjon=UC%20Berkeley&-op=cn&City=Berkeley&-op=cn&Hjemmeinstitution=NTNU&-op=cn&Fakultet%20hjemme=NT&-op=cn&Utvekslingsperiode=H%f8st%20og%20v%e5r%202009%2f2010&-max=10&-recid=39770&-find= University of California Berkeley], Høst/Vår 2009/2010, [[Nanomaterialer]]

== Nyttige lenker ==

*[http://www.ntnu.no/studier/studier_i_utlandet Internasjonal seksjon, NTNU]
*[http://www.ntnu.no/intersek/tilutlandet123 Til utlandet på 123]
*[http://www.ansa.no/ Mye nyttig informasjon om utdanning i utlandet fra ANSA]
*[http://ed.sjtu.edu.cn/ARWU-FIELD2008/ENG2008.htm De 100 beste teknologiuniversitetene]
*[http://www.ifs.tuwien.ac.at/~silvia/research-tips/times_top100_technologie_2005.pdf Times rangering av de 100 beste tekniske universitetene]
*[http://colleges.usnews.rankingsandreviews.com/college Rangeringer inne mange kategorier i USA]
*[http://www.ntnu.no/international/usa/visa.pdf Informasjon om prosedyren for å søke visum til USA]
*[http://www.ntnu.no/international/recommendations Informasjon om letters of recommendation]
*[http://www.ntnu.no/international/statementofpurpose.pdf Informasjon om å skrive statement of purpose (motivasjonsbrev)]
*[http://www.ansa.no/upload/Dokumenter/Infosenteret/Landbrosjyrer/usa07.pdf ANSA's brosjyre om utdanning i USA]

[[Kategori:Utveksling]]

Institut National de Polytechnique (INP Grenoble)

2010-05-05T13:11:39Z

Eirikgje:

{{Infobox
|Fakta
|*'''Land:''' Frankrike
*'''Beliggenhet:''' Grenoble, Rhône-Alpes
*'''Studenter:''' --
*'''Nettsted:''' [http://grenoble-inp.fr]
}}

== Litt generell informasjon om INP Grenoble ==

== Hvordan søke ==

== Hva koster det ==

== Fagtilbud ==

== Godkjenning av fag ==

== Byen Grenoble ==

== Erfaringer ==

== Nyttige tips ==

== Se også ==

[[Utveksling]]

== Nyttige lenker ==

[[Kategori:Utveksling]]

Institut National de Polytechnique (INP Grenoble)

2010-05-05T13:08:41Z

Eirikgje:

{{Infobox
|Fakta
|*'''Land:''' Frankrike
*'''Beliggenhet:''' Grenoble, Rhône-Alpes
*'''Studenter:''' --
*'''Nettsted:''' [http://inp-grenoble.fr]
}}

== Litt generell informasjon om INP Grenoble ==

== Hvordan søke ==

== Hva koster det ==

== Fagtilbud ==

== Godkjenning av fag ==

== Byen Grenoble ==

== Erfaringer ==

== Nyttige tips ==

== Se også ==

[[Utveksling]]

== Nyttige lenker ==

[[Kategori:Utveksling]]

Institut National de Polytechnique (INP Grenoble)

2010-05-05T13:05:27Z

Eirikgje: Ny side: {{Infobox |Fakta |*'''Land:''' Frankrike *'''Beliggenhet:''' Grenoble, Rhône-Alpes *'''Studenter:''' -- *'''Nettsted:''' [http://inp-grenoble.fr] }} == Litt generell informasjon om INP ...

{{Infobox
|Fakta
|*'''Land:''' Frankrike
*'''Beliggenhet:''' Grenoble, Rhône-Alpes
*'''Studenter:''' --
*'''Nettsted:''' [http://inp-grenoble.fr]
}}

== Litt generell informasjon om INP Grenoble ==

== Hvordan søke ==

== Hva koster det ==

== Fagtilbud ==

== Godkjenning av fag ==

== Erfaringer ==

== Nyttige tips ==

== Se også ==

[[Utveksling]]

== Nyttige lenker ==

[[Kategori:Utveksling]]

Utveksling

2010-05-05T13:00:44Z

Eirikgje: /* Utvekslingssteder */

== Standard ting ==

Det kan være greit å finne ut hvor man vil, og hva man vil ved å dra ut.
Når man vet hvor, så er det litt greiere å finne ut hva man vil; lære et språk, finne et sted med bedre kompetanse, høste kulturerfaring, unngå Trondheimsklimaet, skaffe kontakter eller bare få seg et år borte fra de andre på linja.

Uansett er det visse ting man må finne ut:

*Noe om universitetet: Gå på hjemmesida til universitet, eller søk etter informasjon hos [http://www.ntnu.no/studier/studier_i_utlandet/land internasjonal seksjon].
*Få [http://www.ntnu.no/eksternweb/multimedia/archive/00031/Forh_ndsgodkjennings_31079a.pdf godkjenning] hos fakultetet når du har funnet ut av fagene.
*Søk om støtte hos [http://www.lanekassen.no/templates/Page____5505.aspx Lånekassa] og hos [https://www.intersek.ntnu.no/soknadsskjema/ Internasjonal seksjon].

Ellers er Internajsonalt Hus på Gløshaugen et sted å gå for å få mer informasjon og det finner du på [http://www.ntnu.no/ntnukart//no/gloshaugen.gif dette kartet] (øverst i venstre hjørne).

Ved utveksling utenom 4. året, da med tanke på masteroppgaven, eventuelt Ph.D, så er det viktigste å kontakte faglærere og finne ut av hvem som har kontakter hvor, for da går det mye på hvem som kjenner hvem.

== Praktiske ting ==

Det kan i mange tilfeller være greit å være litt tidlig ute med følgende ting:
*Forsikring - skaff en spesialforsikring for studenter i utlandet enten via ANSA eller ditt forsikringsselskap
*Enkelte steder er det knot å få seg en plass i faget, men bare besøk professorens kontor, etter litt korrespondanse via mail, og snakk med ham/henne så ordner slikt seg.
*Velg deg ut en hel haug med fag! Er ikke alltid du er like heldig med fagvalgenes ledighet og tilgjengelighet...
*Kom ned litt tidlig slik at du har tid til å skaffe bolig, da det er litt kjedelig å bo på hostell når du begynner med undervisninga. Dette kan selvfølgelig i noen tilfeller ordnes hjemme fra Norge, men det er greiere å se hva du får før du sier ja.

== Utvekslingssteder ==

Her er en oversikt over noen forslag til universiteter rundt om i verden, en del av dem med tanke på at de bedriver litt med nanoteknologi på noen av sine fakulteter og muligens har programmer for utdanning innen vårt fagfelt:

{| class="wikitable sortable"
|-
! Institusjon
! Land
! Beliggenhet
! Avtale med NTNU
|-
| [[Universitetet i Oslo]]
| Norge
| Oslo
| ?
|-
| [[University of California, Berkeley]]
| USA
| Berkeley, California
| Delvis
|-
| [[University of Waterloo]]
| Canada
| Waterloo, Ontario
| Ja
|-
| [[California Institute of Technology]]
| USA
| Pasadena, California
| Nei
|-
| [[Seoul National University]]
| Korea
| Seoul
| Ja
|-
| [[Osaka Prefecture University]]
| Japan
| Osaka
| Ja
|-
| [[Tokyo Instuitute of Technology]]
| Japan
| Tokyo
| Ja
|-
| [[Waseda University]]
| Japan
| Shinjuku, Tokyo
| Ja
|-
| [[University of Alberta]]
| Canada
| Edmonton, Alberta
| Ja
|-
| [[Cornell University]]
| USA
| Ithaca, New York
| Nei
|-
| [[University of California, San Diego]]
| USA
| San Diego, California
| Ja(?)
|-
| [[University of Guelph]]
| Canada
| Guelph, Ontario
| Nei
|-
| [[Penn State University]]
| USA
| Centre County, Pennsylvania
| Ja (Bare lærerutdanning?)
|-
| [[Korea Advanced Institute of Science and Technology]] (KAIST)
| Korea
| Yuseong, Deajeon
| Ja
|-
| [[TU Delft]]
| Nederland
| Delft
| Ja, Erasmus
|-
| [[Massachusetts Institute of Technology (MIT)]]
| USA
| Cambridge, Massachusetts
| Nei
|-
| [[University of Colorado at Boulder (CU Boulder)]]
| USA
| Boulder, Colorado
| Nei
|-
|[[Institut National de Polytechnique (INP Grenoble)]]
| Frankrike
| Grenoble, Rhône-Alpes
| Ja
|}

Det at NTNU har avtale med universitet kan bety litt forskjellig. Det kan variere fra at man får totalt fritak av betaling av skolepenger til at man bare får et lite avslag i prisen. For mer informasjon bes det tas kontakt med Internasjonal Seksjon.

== Finansiering av utdanning ==

* [http://www.lanekassen.no/templates/Page____9098.aspx Lånekassen]
* [https://www.intersek.ntnu.no/soknadsskjema/ Stipend fra NTNU]
* [http://www.legathandboken.no/ Legathåndboken]
* [http://www.fulbright.no/Fulbright_Grants/Norwegians_to_the_US/Fulbright+stipend+for+norske+studenter+til+USA.E3p1MY7.ips Fullbright-stipend (kun USA)]
* [http://www.noram.no/index.php?side_id=75&vis=1 NORAM-stipend (kun USA og Canada)]

== Utvekslingsrapporter ==
Mange studenter fra NTNU får utvekslingsstipend fra Internasjonal Seksjon. For å få utbetalt stipendet må man skrive en rapport som legges inn i [https://www.intersek.ntnu.no/rapport/FMPro?-db=Rapport.fp5&-lay=www&-format=search.htm&-view database]. Nedenfor er ei liste med utvekslingsrapporter skrevet av nanoteknologistudenter.

===Nederland===
===Singapor===
===Sveits===
===USA===
[https://www.intersek.ntnu.no/rapport/FMPro?-db=rapport.fp5&-format=record_detail.htm&-lay=www&-sortfield=-none-&-op=cn&City=Boulder&-max=10&-recid=40002&-find= University of Colorado at Boulder] vår 2010, skrevet av Sigmund Østtveit Størset, [[Bionanoteknologi]]

[https://www.intersek.ntnu.no/rapport/FMPro?-db=rapport.fp5&-format=record%5fdetail.htm&-lay=www&-sortfield=-none-&-op=cn&Land=USA&-op=cn&Vertsinstitusjon=UC%20Berkeley&-op=cn&City=Berkeley&-op=cn&Hjemmeinstitution=NTNU&-op=cn&Fakultet%20hjemme=NT&-op=cn&Utvekslingsperiode=H%f8st%20og%20v%e5r%202009%2f2010&-max=10&-recid=39770&-find= University of California Berkeley], Høst/Vår 2009/2010, [[Nanomaterialer]]

== Nyttige lenker ==

*[http://www.ntnu.no/studier/studier_i_utlandet Internasjonal seksjon, NTNU]
*[http://www.ntnu.no/intersek/tilutlandet123 Til utlandet på 123]
*[http://www.ansa.no/ Mye nyttig informasjon om utdanning i utlandet fra ANSA]
*[http://ed.sjtu.edu.cn/ARWU-FIELD2008/ENG2008.htm De 100 beste teknologiuniversitetene]
*[http://www.ifs.tuwien.ac.at/~silvia/research-tips/times_top100_technologie_2005.pdf Times rangering av de 100 beste tekniske universitetene]
*[http://colleges.usnews.rankingsandreviews.com/college Rangeringer inne mange kategorier i USA]
*[http://www.ntnu.no/international/usa/visa.pdf Informasjon om prosedyren for å søke visum til USA]
*[http://www.ntnu.no/international/recommendations Informasjon om letters of recommendation]
*[http://www.ntnu.no/international/statementofpurpose.pdf Informasjon om å skrive statement of purpose (motivasjonsbrev)]
*[http://www.ansa.no/upload/Dokumenter/Infosenteret/Landbrosjyrer/usa07.pdf ANSA's brosjyre om utdanning i USA]

[[Kategori:Utveksling]]

Utveksling

2010-05-05T12:59:36Z

Eirikgje: /* Utvekslingssteder */

== Standard ting ==

Det kan være greit å finne ut hvor man vil, og hva man vil ved å dra ut.
Når man vet hvor, så er det litt greiere å finne ut hva man vil; lære et språk, finne et sted med bedre kompetanse, høste kulturerfaring, unngå Trondheimsklimaet, skaffe kontakter eller bare få seg et år borte fra de andre på linja.

Uansett er det visse ting man må finne ut:

*Noe om universitetet: Gå på hjemmesida til universitet, eller søk etter informasjon hos [http://www.ntnu.no/studier/studier_i_utlandet/land internasjonal seksjon].
*Få [http://www.ntnu.no/eksternweb/multimedia/archive/00031/Forh_ndsgodkjennings_31079a.pdf godkjenning] hos fakultetet når du har funnet ut av fagene.
*Søk om støtte hos [http://www.lanekassen.no/templates/Page____5505.aspx Lånekassa] og hos [https://www.intersek.ntnu.no/soknadsskjema/ Internasjonal seksjon].

Ellers er Internajsonalt Hus på Gløshaugen et sted å gå for å få mer informasjon og det finner du på [http://www.ntnu.no/ntnukart//no/gloshaugen.gif dette kartet] (øverst i venstre hjørne).

Ved utveksling utenom 4. året, da med tanke på masteroppgaven, eventuelt Ph.D, så er det viktigste å kontakte faglærere og finne ut av hvem som har kontakter hvor, for da går det mye på hvem som kjenner hvem.

== Praktiske ting ==

Det kan i mange tilfeller være greit å være litt tidlig ute med følgende ting:
*Forsikring - skaff en spesialforsikring for studenter i utlandet enten via ANSA eller ditt forsikringsselskap
*Enkelte steder er det knot å få seg en plass i faget, men bare besøk professorens kontor, etter litt korrespondanse via mail, og snakk med ham/henne så ordner slikt seg.
*Velg deg ut en hel haug med fag! Er ikke alltid du er like heldig med fagvalgenes ledighet og tilgjengelighet...
*Kom ned litt tidlig slik at du har tid til å skaffe bolig, da det er litt kjedelig å bo på hostell når du begynner med undervisninga. Dette kan selvfølgelig i noen tilfeller ordnes hjemme fra Norge, men det er greiere å se hva du får før du sier ja.

== Utvekslingssteder ==

Her er en oversikt over noen forslag til universiteter rundt om i verden, en del av dem med tanke på at de bedriver litt med nanoteknologi på noen av sine fakulteter og muligens har programmer for utdanning innen vårt fagfelt:

{| class="wikitable sortable"
|-
! Institusjon
! Land
! Beliggenhet
! Avtale med NTNU
|-
| [[Universitetet i Oslo]]
| Norge
| Oslo
| ?
|-
| [[University of California, Berkeley]]
| USA
| Berkeley, California
| Delvis
|-
| [[University of Waterloo]]
| Canada
| Waterloo, Ontario
| Ja
|-
| [[California Institute of Technology]]
| USA
| Pasadena, California
| Nei
|-
| [[Seoul National University]]
| Korea
| Seoul
| Ja
|-
| [[Osaka Prefecture University]]
| Japan
| Osaka
| Ja
|-
| [[Tokyo Instuitute of Technology]]
| Japan
| Tokyo
| Ja
|-
| [[Waseda University]]
| Japan
| Shinjuku, Tokyo
| Ja
|-
| [[University of Alberta]]
| Canada
| Edmonton, Alberta
| Ja
|-
| [[Cornell University]]
| USA
| Ithaca, New York
| Nei
|-
| [[University of California, San Diego]]
| USA
| San Diego, California
| Ja(?)
|-
| [[University of Guelph]]
| Canada
| Guelph, Ontario
| Nei
|-
| [[Penn State University]]
| USA
| Centre County, Pennsylvania
| Ja (Bare lærerutdanning?)
|-
| [[Korea Advanced Institute of Science and Technology]] (KAIST)
| Korea
| Yuseong, Deajeon
| Ja
|-
| [[TU Delft]]
| Nederland
| Delft
| Ja, Erasmus
|-
| [[Massachusetts Institute of Technology (MIT)]]
| USA
| Cambridge, Massachusetts
| Nei
|-
| [[University of Colorado at Boulder (CU Boulder)]]
| USA
| Boulder, Colorado
| Nei
|
|[[Institut National de Polytechnique (INP Grenoble)]]
| Frankrike
| Grenoble, Rhône-Alpes
| Ja
|}

Det at NTNU har avtale med universitet kan bety litt forskjellig. Det kan variere fra at man får totalt fritak av betaling av skolepenger til at man bare får et lite avslag i prisen. For mer informasjon bes det tas kontakt med Internasjonal Seksjon.

== Finansiering av utdanning ==

* [http://www.lanekassen.no/templates/Page____9098.aspx Lånekassen]
* [https://www.intersek.ntnu.no/soknadsskjema/ Stipend fra NTNU]
* [http://www.legathandboken.no/ Legathåndboken]
* [http://www.fulbright.no/Fulbright_Grants/Norwegians_to_the_US/Fulbright+stipend+for+norske+studenter+til+USA.E3p1MY7.ips Fullbright-stipend (kun USA)]
* [http://www.noram.no/index.php?side_id=75&vis=1 NORAM-stipend (kun USA og Canada)]

== Utvekslingsrapporter ==
Mange studenter fra NTNU får utvekslingsstipend fra Internasjonal Seksjon. For å få utbetalt stipendet må man skrive en rapport som legges inn i [https://www.intersek.ntnu.no/rapport/FMPro?-db=Rapport.fp5&-lay=www&-format=search.htm&-view database]. Nedenfor er ei liste med utvekslingsrapporter skrevet av nanoteknologistudenter.

===Nederland===
===Singapor===
===Sveits===
===USA===
[https://www.intersek.ntnu.no/rapport/FMPro?-db=rapport.fp5&-format=record_detail.htm&-lay=www&-sortfield=-none-&-op=cn&City=Boulder&-max=10&-recid=40002&-find= University of Colorado at Boulder] vår 2010, skrevet av Sigmund Østtveit Størset, [[Bionanoteknologi]]

[https://www.intersek.ntnu.no/rapport/FMPro?-db=rapport.fp5&-format=record%5fdetail.htm&-lay=www&-sortfield=-none-&-op=cn&Land=USA&-op=cn&Vertsinstitusjon=UC%20Berkeley&-op=cn&City=Berkeley&-op=cn&Hjemmeinstitution=NTNU&-op=cn&Fakultet%20hjemme=NT&-op=cn&Utvekslingsperiode=H%f8st%20og%20v%e5r%202009%2f2010&-max=10&-recid=39770&-find= University of California Berkeley], Høst/Vår 2009/2010, [[Nanomaterialer]]

== Nyttige lenker ==

*[http://www.ntnu.no/studier/studier_i_utlandet Internasjonal seksjon, NTNU]
*[http://www.ntnu.no/intersek/tilutlandet123 Til utlandet på 123]
*[http://www.ansa.no/ Mye nyttig informasjon om utdanning i utlandet fra ANSA]
*[http://ed.sjtu.edu.cn/ARWU-FIELD2008/ENG2008.htm De 100 beste teknologiuniversitetene]
*[http://www.ifs.tuwien.ac.at/~silvia/research-tips/times_top100_technologie_2005.pdf Times rangering av de 100 beste tekniske universitetene]
*[http://colleges.usnews.rankingsandreviews.com/college Rangeringer inne mange kategorier i USA]
*[http://www.ntnu.no/international/usa/visa.pdf Informasjon om prosedyren for å søke visum til USA]
*[http://www.ntnu.no/international/recommendations Informasjon om letters of recommendation]
*[http://www.ntnu.no/international/statementofpurpose.pdf Informasjon om å skrive statement of purpose (motivasjonsbrev)]
*[http://www.ansa.no/upload/Dokumenter/Infosenteret/Landbrosjyrer/usa07.pdf ANSA's brosjyre om utdanning i USA]

[[Kategori:Utveksling]]

Bioinspirert design og sammensetting av plateforsterkede polymerfilmer

2009-03-23T13:53:19Z

Eirikgje: /* Oppbygningen av skjellet */

== Innledning ==
[[Bilde:fuflogfly.jpg|right|thumb|350px|NASA har utviklet et fly som kan endre form og lengde på vingene for minst mulig motstand og turbulens under flygingen, og som kan splitte opp vingespissene ved landing. Designet er inspirert av hvithodehavørnen, vist til vesntre.]]
Naturen har gjennom millioner av år med evolusjon utviklet sofistikerte og effektive materialer til forskjellige formål. Vi mennesker har kun eksistert en brøkdel av denne tidsperioden, og på tross av at vi er en av de dyktigste livsformene hva gjelder utvikling av forskjellige redskaper, har vi fortsatt mye å lære av andre organismer. I naturen finnes hundrevis av eksempler på fremgangsmåter, kamuflasje og smarte materialer, som vi bare såvidt har begynt å utforske. Noen eksempler er fly konstruert etter inspirasjon fra fuglers flyteknikk, svømmedrakter designet på samme måte som haihud, og en kamuflasjegel som reflekterer lyset fra omgivelsene, inspirert av blekksprutens evne til å skifte farge.

== Inspirasjon ==
Så og si alle biologiske komposittmaterialer har spesifikke strukturegenskaper på alle lengdeskalaer, fra molekylær, via nanoskopisk og mikroskopisk, til makroskopisk. Innen nanoteknologi er det spesielt interessant å utforske hvordan naturen har utviklet materialer på mikro- og nanoskala for å få dem best mulig egnet til deres bruk.

Mange organismer har bruk for harde og slitesterke materialer. For mennesker og andre dyr er det viktig å ha sterke tenner og skjelett, for mindre organismer er det viktig med harde skall for å beskytte de bløte delene. Et eksempel på dette er forskjellige skjell, som bygger skallet sitt ved hjelp av nanostrukturerte aragonitt(CaC03, kanskje bedre kjent som kritt)-plater omgitt av lag med elastiske biopolymerer som kitin, lustrin og andre proteiner. Denne oppbygningen av materialet gjør det 3000 ganger sterkere enn rent aragonitt, og det er denne enorme forskjellen som gjør at forskere i lang tid har prøvd å lære mer om oppbygningen. Håpet må være at vi innen en stadig minkende tidshorisont kan bruke denne kunnskapen til å masseprodusere sterkere og lettere stoffer enn tidligere.

== Utfordring ved bruk av nanobyggestener ==
Nanobyggestener er hver for seg tilnærmet ideelle materialer, med høy strekkstyrke og Young's modulus. Dessverre er det ikke slik at man kan hive sammen en haug av nanopartikler, og oppnå et materiale i bulk med egenskaper lik summen av partiklene det er satt sammen av. Det har vist seg at polymerer styrket med nanomaterialer har langt dårligere egenskaper enn de enkelte byggestenene hver for seg. Unntaket er hvis volumprosenten av det styrkende nanomaterialet er lav. Dette kan antakeligvis forklares ved viktigheten av struktur i komposittmaterialet. Hvis man bruker en høy volumprosent av nanopartikler er det vanskelig å kontrollere strukturen, spesielt fordi partiklene har en tendens til å aggregere og danne bulk materiale. Det er ønskelig at nanoelementene i komposittmaterialet rangerer seg på en ordnet måte, uten å klumpe seg sammen, da dette maksimerer kontaktflaten mellom nanopartikler og polymer.

En annen utfordring er selve produksjonen. Det er svært vanskelig å kontrollere oppførselen til et materiale på nanoskala. Det finnes muligheter for å plassere en og en partikkel f.eks med en AFM spiss, men hvis produksjon skal foregå på litt større skala må man ty til selvorganisering. For å oppnå ønsket resultat ved selvorganisering trengs inngående kunnskap om nanomaterialets fysiske og kjemiske egenskaper.

== Oppbygningen av skjellet ==
[[Bilde:nacreAFMPC.jpg|left|thumb|250px|Oppbygningen av Abalonskjellet sett ovenfra, med polygonformede biokrystaller omggitt av proteiner. Bilde tatt med AFM og fasekontrast. [1]]]

''Haliotis Rufescens'' (Rød Abalon, Regnbuestein) er en av de sterkeste skjellene hva gjelder fysiske egenskaper. Innsiden har et regnbuefarget utseende, litt på samme måten som en CD, og denne likheten er det første indisiet på at vi har med en mikro- eller nanostruktur å gjøre. Allerede i 1955 kunne ''Grégoire et al.'' bevise at skjellene består av plater med organiske forbindelser, og ''Weiner'' kunne i 1986 fastslå at det dreide seg om plater på ca. ~5 µm i diameter, og med en tykkelse på 0.5µm, omgitt av et biopolymer. Ved å studere skjellet med AFM, SEM og TEM, har man med tiden kartlagt oppbygningen til materialet; skjellene består polygoniske biomineraler av aragonitt/kritt(CaCO3) separert av tynne (~45nm) lag med elastiske, organiske polymer-lignende proteiner, slik at strukturen på nano-skala ligner makroskopiske murvegger, med krystallene som "mursteiner" og proteinene som "sement". Det finnes to forskjellige strukturformer i skjellene; kolonne- og trappeform.
[[Bilde:nacreSEMcross.jpg|right|thumb|250px|Tversnitt av Abalonskjellet, tatt med SEM. [2]]]
Kolonneform betyr at sentrum av hver krystallplate ligger omtrent rett over sentrum av plata under. Når sentrum i hver plate ligger omtrent over skjøten mellom de underliggende platene, omtrent på samme måte som i murvegger, kalles dette trappeform. Det som fascinerer mest med denne oppbygningen er at hovedbestanddelen (95%) av materialet er kritt, et av naturens mest skjøre materialer (tenk tavlekritt, eggeskall etc). Oppbygningen i skjellene gjør at materialet tåler 3000 ganger så mye som aragonitt i vanlig bulk-form. Den samme strukturen finnes blant annet i ben hos alle større dyr, som hos mennesket. Vår benbygning består på samme måte av plater med mineralet kalsium- hydroksyapatitt, omgitt av et mykere vev av kollagen. Den viktigste forskjellen mellom skjellene og vår benbygning er likevel at våre ben består av relativt sett mindre mineraler i forhold til det mykere biopolymeret (~95% for skjellene og ~45% i vår benbygning). Dette gjør at mens skjellene er hardere enn vår benbygning, tåler vi mer støt, strekk og bøying før materialet gir etter.

(En liten digresjon for de spirituelle (fra Alternativ Helse): "Abalon er god for kjærlighet, romantikk, god mat, og kreativitet (spesielt lyrikk og musikk) (...) Beskytter mot negative energier, spesielt sinne, depresjon, frykt, og tristhet. (...) fører til inspirasjon og kreativitet, spesielt innen skriving. Denne virkningen er sterkest til skapende skriving, som poesi og lyrikk, men er også fin innen forretning eller skoleskriving.")

== Dimensjoner og materialer ==
Biomimikk går ut på å imitere naturen nøyaktig for å bygge opp materialer med de egenskapene man finner i naturen. Bioinspirasjon derimot, handler om å hente inspirasjon fra naturens mange kilder, for så å utvikle videre et syntetisk materiale med helt spesifikke egenskaper, som kan overskride naturen på flere områder. Vi har mange flere materialer å velge mellom enn naturen, kan variere dimensjoner og strukturer på alle lengdeskalaer, og har dermed mange flere variable å utforske for å oppnå akkurat de egenskapene vi er ute etter. Dette er imidlertid lettere sagt en gjort, konstruksjonen av ben eller skjell lignende strukturer har vist seg å være ekstremt vanskelig, spesielt fordi det er meget utfordrene å finne generelle teknikker som fungerer for forskjellige materialer. Vi skal derfor her ta for oss en spesifikk type polymerfilm.

Før valg av materiale gjelder det å få oversikt over hvilke egenskaper den organiske og den uorganiske fasen bør ha, og hvor stor prosentandel man ideelt sett bør bruke av hver av dem.

Hvis man kjenner til styrken til de forskjellige materialene hver for seg samt volumprosenten av plater, kan man regne ut den totale styrken til hybridmaterialet ved følgende formel:
:<math>\sigma_c = \alpha V_p \sigma_p + (1-V_p)\sigma_m</math>
Der <math>\sigma_c</math> er maksimal strekkstyrke (tensile strength) til materialet, <math>V_p</math> er volumprosenten av plater, <math>\sigma_p</math> og <math>\sigma_m</math> er strekkstyrken til henholdsvis platene og polymermaterialet i matrisen rundt platene. <math>\alpha</math> er en funksjon av s, <math>\tau_y</math> og <math>\sigma_p</math>, der s er forholdet mellom lengde og tykkelse på platene (aspektrate) og <math>\tau_y</math> er flyt skjærstyrken (yield shear stength) til polymermatrisen.

[[Bilde:Brudd copy.jpg|left|thumb|250px|Den øverste figuren viser hvordan filmen vil knekke hvis <math>s>s_c</math>, mens den nederste figuren illustrerer hvordan materialet kan bli styrket hvis <math>s<s_c</math>, og platene er fleksible i polymermatrisen i stedet for å knekke tvert av ved en påført kraft.]]
Uttrykket for <math>\alpha</math> avhenger av s, aspektraten til platene. Hvis s er høyere enn en kritisk verdi <math>s_c</math>, vil hybridmaterialet knekke tvert av ved en viss påført kraft. I dette tilfellet uttrykkes <math>\alpha</math> på følgende måte:
:<math>\alpha = 1-\frac{\sigma_p}{2\tau_y s}</math>

Hvis s derimot er mindre enn den kritiske verdien <math>s_c</math>, vil platene være fleksible i polymermatrisen når en kraft påføres, og det skal mye mer til før materialet går helt i stykker. I dette tilfellet uttrykkes <math>\alpha</math> som følger:
:<math>\alpha = \frac{\tau_y s}{2\sigma_p}</math>

Den ønskelige situasjonen er sistnevnte, der <math>s<s_c</math>. For å oppnå maksimal styrke på alle måter bør s være nært oppunder <math>s_c</math>.

<math>s_c</math> er en funksjon av <math>\sigma_p</math> og <math>\tau_y</math>: <math>s_c = \frac{\sigma_p}{\tau_y}</math>

Naturen har begrenset med materialer å velge mellom. Nacre er for eksempel bygget opp av aragonittplater i et organisk materiale, og <math>s_c</math> befinner seg da et sted mellom 9 og 12,5, noe som er en relativt lav verdi. Aragonitt har en <math>\sigma_p</math> verdi på mellom 360 og 500 MPa, mens syntetiske uorganiske plater kan ha <math>\sigma_p</math> verdier mellom 2 og 5 GPa. Dette gir rom for å bruke plater med en merkbart høyere aspektrate, uten å overskride den kritiske verdien <math>s_c</math>.

Volumprosenten av uorganiske plater har mye å si for filmens egenskaper. For få plater gir et materiale som tåler mye deformering før det ødelegges, men som til gjengjeld er mykt og lite beskyttende. For mange plater gjør materialet hardt og stivt, men da blir det også skjørt og følsomt for sprekker. Hvis volumprosenten er altfor høy vil dessuten ikke platene organisere seg i en ordnet struktur som gir de egenskapene vi er ute etter. Her ønskes et materiale som både er hardt og fleksibelt.

[[Bilde:volumprosent.jpg|center|thumb|800px|Figur A, B og C inneholder henholdsvis 5, 11 og 60 vol% <math>Al_2O_3</math> plater. Man ser at ved 60 vol% blir strukturen uordnet og hullete, mens platene beholder sin struktur for vol% lavere enn 20. Lengdeskalaen på bildene er henholdsvis 10, 5 og 2µm.]]

[[Bilde:stress vs strain.jpg|right|thumb|300px|Denne figuren viser hvordan komposittmaterialet tåler mer og mer påført kraft før det deformeres ettersom volumprosenten av plater økes fra null og opp imot 20]]
Bonderer ''et al.'' (ref: bioinspired artikkelen) valgte å lage en forsterket polymerfilm med 15 vol% aluminiumoksidplater i en matrise av kitosan. Aluminiumsplatene har en estimert strekkstyrke <math>\sigma_p</math> på 2 GPa (der aragonitt til sammenligning har en strekkstyrke mellom 360 og 500 MPa), og kitosan har en flyt skjærstyrke på ca 40MPa. Dette gir en kritisk verdi <math>s_c</math> på omtrent 50, noe som er mye høyere enn hva man finner i skjellstrukturer i naturen (<math>9<s_c<12,5</math> for nacre). Man kan dermed øke aspektraten (s) og fortsatt beholde en fleksibel oppførsel ved påført kraft, noe som gjør at materialet tåler mer. I dette eksempelet valgte forskerne en aspektrate på 40, og plater med en tykkelse på ca 200nm. Tykkelsen er på samme nivå som platene funnet i nacre, men i og med at aspektraten er høyere kan platene være lengre, og dette øker effektiviteten av kraftskifting (load transfer) til de uorganiske platene. Volumprosenten ble satt til 15 på grunnlag av observasjonene vist i figur___, der man ser at volumprosenter over 20 gir materialet en hullete og dårlig struktur. I tillegg ble dette valget basert på observasjoner av hvor mye materialet deformeres som følger av påført kraft, som vist i figur__.

Podsiadlo og hans kolleger har prøvd seg med montmorillonitt (MTM) leirplater i en matrise av polyvinylalkohol (PVA). De har fokusert på kjemien i grensesnittet mellom platene og polymermatrisen for å maksimere kraftoverføring til den sterkere uorganiske fasen.

== Produksjon ==
=== Metoder ===
Som nevnt tidligere finnes det ingen enkel og generell oppskrift på hvordan man kan produsere disse harde og sterke materialene. Ethvert materiale har spesifikke egenskaper, og det er ofte åpent for å anvende en ny teknikk som kun fungerer for et gitt materiale. Etter mye forskning, prøving og feiling, har man likevel kommet fram til noen fabrikasjonsmetoder som er mer generelle enn andre. Disse kan deles opp i følgende fire kategorier:
*'''Selvorganisering og "bottom up"'''
Denne metoden er nyttig i produksjonen av harde materialer, og drar nytte av visse elementers evne til å adsorbere og selvorganisere på en overflate.
*'''Elektroforetisk deposisjon'''
Denne metoden baserer seg på at ladde partikler selvorganiserer under påvirkning av et elektrisk felt. Ladde nanopartikler blandes i en suspensjon, og ved å sette på et eksternt elektrisk felt vil disse migrere til og feste seg på elektroden.
*'''Lag på lag metoden'''
Dette er en enkel metode for å produsere tynne filmer, gjerne med alternerende organisk-uorganisk fase. Et ladd substrat dyppes annenhver gang i motsatt ladde løsninger av polyelektrolytter.
*'''Templat inhibering'''

=== Anvendte teknikker ===
Noen av ovennevnte fabrikasjonsmetoder innebærer bruken av teknikker som krever en kort forklaring:

*'''Dip coating: Dypp-belegging'''
[[Bilde:Dip coating.gif|left|thumb|300px|De tre trinnene i dypp-beleggingsprosessen]]
Som det fremkommer av navnet beskriver dette en metode for å belegge noe med et tynt lag av noe annet. Vanligvis deles prosessen inn i fire deler: Først senkes gjenstanden som skal belegges ned i et beleggingsmateriale med konstant hastighet. Deretter lar man gjenstanden hvile i løsningen av beleggingsmateriale, slik at det skal få tid til å feste seg på overflaten. Etter en gitt tid trekkes gjenstanden opp igjen av løsningen, fortsatt med konstant hastighet for å unngå ujevnheter i filmen som blir lagt igjen på overflaten. Til slutt må filmen tørkes, slik at kun materialet som filmen skal bestå av er igjen på overflaten. Dette skjer oftest ved at løsning fordamper.
Det som i hovedsak bestemmer tykkelsen på filmen er hastigheten gjenstanden blir trukket opp igjen fra løsningen med. Jo høyere hastighet, jo tykkere film.

*'''Spin coating: Rotasjonsbelegging'''
[[Bilde:spincoat.jpg|right|thumb|300px|Prosessen i spin-coating og en representasjon av tykkelsen på laget som følge av rotasjonshastighet]]
Dette beskriver en annen teknikk for å belegge noe med en tynn film. Rotasjonsbelegging består i hovedsak av tre trinn: Påføring, rotasjon og tørking. Først dryppes eller sprayes beleggingsmaterialet, i flytende form, på sentrum av overflaten av gjenstanden som skal belegges. Belegget påføres i overflod i forhold til hva som blir igjen ved slutten av prosessen. Deretter settes gjenstanden inn i en maskin som kan rotere med høy hastighet. Når maskinen roterer vil belegget spres som følger av sentrifugalkraften, og til slutt renne over kanten av overflaten. Hastigheten bestemmer man selv, og avhenger av hvor tykk filmen skal være, og hva slags materiale den består av. Jo høyere vinkelhastighet, jo tynnere film. Vanligvis er løsningen volatil, og fordamper samtidig som gjenstanden roteres. Dette gjør at konsentrasjonen av løsningen også spiller inn på tykkelsen av filmen, der høy konsentrasjon gir en tykkere film enn lav konsentrasjon.
Andre faktorer som spiller inn på tykkelsen og egenskapene til filmen er: Akselerasjon til endelig rotasjonshastighet, rotasjonstid, viskositet til beleggingsvesken, fordampningshastighet, overflatespenning, temperatur, luftfuktighet osv.

*'''Sonication: Lydbehandling'''
Lydbehandling består i å tilføre energi til en prøve ved bruk av lydbølger, vanligvis ultralyd. Den høyfrekvente lyden blir generert elektronisk, og tilføres videre som mekanisk energi til prøven via en metallprobe som oscillerer med høy frekvens. Et såkalt ultralydbad kan også brukes. Når partiklene får høyere energi vil de bevege seg mer, og dette kan utnyttes på flere måter. Intermolekylære bånd kan brytes, noe som kan brukes til å løse opp og blande stoffer svært raskt. Energien tilført kan også utnyttes for å få en kjemisk reaksjon til å gå, til å fjerne oppløst gass fra en væske eller til å starte en krystalliseringsprosess. Innen biologi kan lydbehandling brukes til å ødelegge cellemembraner, for så å frigjøre det som befinner seg inne i cellen. Et mer populært bruksområde er rengjøring, fordi lydbehandling kan brukes til å løsne partikler fra en overflate. Denne typen rengjøring blir ofte brukt på briller og smykker.

=== Fremgangsmåte ===
Flere materialer har blitt prøvd ut for å lage lignende polymerfilmer, men her skal vi se på produksjonen av en film satt sammen av aluminiumsplater og kitosan. Kitosan er en biopolymer som produseres fra råstoffet kitin, som man i Norge hovedsakelig utvinner fra rekeskall.

Hovedidéen bak produksjonsprosessen er at man skal legge aluminiumsplater og kitosan lagvis oppå hverandre, inntil man oppnår en film med en tykkelse på mindre enn noen titalls mikrometer. Hvert lag må altså være svært tynt, og aluminiumsplatene må ikke ligge klumpet oppå hverandre.

[[Bilde:produksjon.jpg|left|thumb|200px|Skjematisk tegning av silankjeder av typen aminopropyltriethoxysilane, ATES, festet til overflaten av en aluminiumsplate]]
På grunn av sin lave størrelse kan aluminiumsplatene ses på som kolloidale partikler, og har evnen til å adsorbere på overflaten mellom luft og vann. Det blir utnyttet her. For å lette adsorpsjonen blir først noe hydrofobe silankjeder (aminopropyltriethoxysilane, ATES) festet på den ene siden av aluminiumsplatene. En silankjede kan ses på som ekvivalent til et alkan, der karbonet er byttet ut med silisium. Festeprosessen blir gjort ved å tilsette plater i en løsning av ATES, løsningen lydbehandles så i fem minutter og blandes i 30 min ved 40graderC. Platene blir så vasket med etanol ved hjelp av sentrifugering. Silankjedene som festes på aluminiumsplatene har en aminogruppe på enden, som senere er ment å danne hydrogenbånd med oksygenet i kitosan.

For å danne en tett og homogen langmuirfilm av plater på vannoverflaten lages først en suspensjon av plater i etanol. Suspensjonen består av 1 vol% plater. Denne løsningen blir så dryppet på en vannoverflate, og videre behandlet i 15-30 min med lydbehandling. I løpet av lydbehandlingen dannes også elektriske dobbeltlag mellom de likt ladde aluminiumsplatene, og frastøtningskreftene mellom dem bidrar til bedre struktur i monolaget.

Monolaget blir så overført til en glassplate ved bruk av dypp-belegging og tørking ved 50graderC. Neste steg er å belegge dette igjen med et tynt lag av kitosan, noe som blir gjort ved rotasjonsbelegging. Beleggingsløsningen blir laget ved å la kitosan ligge i en 0,34 M løsning av eddiksyre i minst 24 timer. Eddiksyren er ment å protonere kitosan makromolekylene og amingruppene på enden av silankjedene, for å lette dannelsen av hydrogenbond mellom den organiske og uorganiske fasen. Rotasjon utføres i 40 sekunder med en hastighet på 2000 rpm, hvorpå kitosanlaget tørkes ved 50graderC. Tykkelsen av polymerlaget kan bestemmes ved å endre konsentrasjonen av kitosan i beleggingsløsningen.

Disse trinnene blir så gjentatt inntil ønsket tykkelse på filmen er oppnådd, noe som vanligvis tilsvarer mellom 8 og 10 lag av plater. Når filmen er ferdig fjernes den fra glassplaten med et barberblad.
 

==Andre prosjekter på området==
Ved University of California bruker man en annen innfallsvinkel og bruker kunnskapen om skjellenes holdbarhet til å lage sterkere metallegeringer. Man legger lagvis tynne plater av Titan og Aluminium oppå hverandre på samme måte som krittplatene i skjellet, adskilt av en myk Titan-legering, som tar rollen som det myke vevet rundt platene. Mange produsenter innen spesielt flybransjen ser på dette som en god erstatning for materialet som i dag brukes i flykroppen, siden det gir et mye sterkere materiale per vekt enn i dagens fly. Materialet i seg selv er sterkere enn murstein, og den største fordelen er at eventuelle sprekkdannelser sprer seg i materialet heller enn at materialet knekker på et bestemt sted. Disse egenskapene gjør at materialet også kunne brukes som lett pansring i militære sammenhenger.

==Applikasjoner==
* Biologiske eller syntetiske nacre-lignende materialer har evnen til å integrere seg i benstrukturer, og kan dermed brukes innen biomedisin, spesielt innen ortopedi og tannbehandling.
* Applikasjoner for sterke polymerer; Mer bruk av polymerer som erstatning for korroderende metaller i bygninger, fly, biler, båter etc., forbruksvarer (strikken som aldri ryker)
* Lettere og mer holdbare keramer

 

==Relevans for nanoteknologer==
* Mikro- og nanostrukturen i materialer kan ha MYE å si for dets fysiske, makroskopiske egenskaper.
* Ved å bruke materialer med forskjellige egenskaper i forskjellige "blandingsforhold" kan man lage materialer som ikke bare tar med seg det beste fra disse materialene, men også øker ytelsen ifht bestanddelene.
* viktig å la seg inspirere av naturens nanostrukturer, men samtidig også slippe seg løs og finne nye materialer og løsninger som er bedre egnet enn det naturen kan få til.
* Kanskje har også naturen enda mer å gå på evolusjonsmessig; det lønner seg å utforske forskjellige variasjoner av oppbygningen.
* Naturen har en viktig fordel; kan vha DNA og RNA å bygge mikro- og nanostrukturer med en utrolig nøyaktighet og nærmest uten feil.
* Man kan lære av tankegangen i dette forsøket; i stedet for å lage mer holdbare keramer, som er formålet med skjellenes oppbygning, bruker man det man har lært fra skjellene til å lage sterkere polymerer for andre formål. Tenk nytt!
* Holdbarheten til abalonskjellet er lett å merke når man undersøker det makroskopisk. Men finnes det små organismer som er vanskelig å undersøke makroskopisk, som har enda bedre nanostruktur?

== Konklusjon ==
[[Bilde:seashells.gif|right|thumb|350px|A: Tverrsnitt som viser strukturen av et rødt California Abalone skjell. B: SEM bilde av grensesnittet mellom kalsitt og nacre i et Trochus Niloticus skjell. C: Kunstig farget SEM bilde av en lag på lag spiralstruktur i T. Niloticus nacre. D: Venstre: AFM bilde av nanopartikler på overflaten av en separat nacre-plate fra et rødt California Abalone skjell. Høyre: Skjematisk fremstilling av hvordan nanopartiklene roteres ved en påført kraft]]
Forskning på naturens sterke materialer har pågått i flere tiår allerede. Vi har funnet mange eksempler på plateforsterkede materialer, spesielt i diverse skjell, ben og tenner, og flere forsøk har blitt gjort på å fabrikkere lignende strukturer. Likevel har vi langt igjen for å kunne måle oss med naturens unike konstruksjonsferdigheter. Ikke bare har vi vanskeligheter med selve produksjonsprosessen, men vi har også en begrenset forståelse av den komplekse og hierarkiske strukturen som finnes i naturens materialer. Når det gjelder plateforsterkede polymerfilmer har vi klart å lage en lignende struktur av plater organisert i en polymermatrise, men det finnes andre aspekter og høyere ordens strukturelementer vi enda ikke har utforsket. Eksempler hentet fra strukturen i forskjellige skjell er vist i figuren til høyre.
Vi har likevel en stor fordel i forhold til naturen, fordi vi kan velge mellom mange flere konstruksjonsmaterialer. Med dagens halvgode produksjonsmetoder klarer vi allerede å konstruere plateforsterkede polymerfilmer med like gode egenskaper som i naturen på visse områder. Ved videre forståelse av biomaterialer og utvikling av produksjonsmetoder kan man se for seg muligheten for produksjon av helt eksepsjonelle komposittmaterialer en gang i framtiden, som overskrider naturen på alle områder.

== Kilder ==

[1] http://hal.archives-ouvertes.fr/docs/00/09/20/27/PDF/Bourrat-BioMin-2005.pdf 
[2] http://www.biophysik.uni-bremen.de/fritz/research.html 
http://nysgjerrigper.no/Artikler/2005/april/med-naturen-som-fasit 
http://arjournals.annualreviews.org/doi/full/10.1146/annurev.physchem.51.1.601?amp;searchHistoryKey=${searchHistoryKey}&cookieSet=1 
http://www.sciencemag.org/cgi/reprint/318/5847/80.pdf 
http://www.sciencemag.org/cgi/data/319/5866/1069/DC1/1 
Bioinspired Design and Assembly of Platelet Reinforced Polymer Films, Lorenz J. Bonderer, et al. Science 319, 1069 (2008); DOI: 10.1126/science.1148726
http://www.sciencemag.org/cgi/content/full/sci;319/5866/1053#ref4 
http://www.clean.cise.columbia.edu//process/spintheory.pdf 
http://en.wikipedia.org/wiki/Spin_coating 
http://en.wikipedia.org/wiki/Sonication 
http://en.wikipedia.org/wiki/Cell_disruption 
http://rsta.royalsocietypublishing.org/content/367/1893/1587.full 
http://www.nanowerk.com/spotlight/spotid=2131.php 
http://www.nytimes.com/2005/03/22/science/22abal.html 
http://www.postech.ac.kr/ce/lamp/research3-3.html 
(Den spirituelle digresjonen):"http://www.althelse.com/steiner-&-krystaller/1228-abalone.html?showall=1"

Bioinspirert design og sammensetting av plateforsterkede polymerfilmer

2009-03-23T12:10:29Z

Eirikgje: /* Kilder */

== Innledning ==
[[Bilde:fuflogfly.jpg|right|thumb|350px|NASA har utviklet et fly som kan endre form og lengde på vingene for minst mulig motstand og turbulens under flygingen, og som kan splitte opp vingespissene ved landing. Designet er inspirert av hvithodehavørnen, vist til vesntre.]]
Naturen har gjennom millioner av år med evolusjon utviklet sofistikerte og effektive materialer til forskjellige formål. Vi mennesker har kun eksistert en brøkdel av denne tidsperioden, og på tross av at vi er en av de dyktigste livsformene hva gjelder utvikling av forskjellige redskaper, har vi fortsatt mye å lære av andre organismer. I naturen finnes hundrevis av eksempler på fremgangsmåter, kamuflasje og smarte materialer, som vi bare såvidt har begynt å utforske. Noen eksempler er fly konstruert etter inspirasjon fra fuglers flyteknikk, svømmedrakter designet på samme måte som haihud, og en kamuflasjegel som reflekterer lyset fra omgivelsene, inspirert av blekksprutens evne til å skifte farge.

== Inspirasjon ==
Så og si alle biologiske komposittmaterialer har spesifikke strukturegenskaper på alle lengdeskalaer, fra molekylær, via nanoskopisk og mikroskopisk, til makroskopisk. Innen nanoteknologi er det spesielt interessant å utforske hvordan naturen har utviklet materialer på mikro- og nanoskala for å få dem best mulig egnet til deres bruk.

Mange organismer har bruk for harde og slitesterke materialer. For mennesker og andre dyr er det viktig å ha sterke tenner og skjelett, for mindre organismer er det viktig med harde skall for å beskytte de bløte delene. Et eksempel på dette er forskjellige skjell, som bygger skallet sitt ved hjelp av nanostrukturerte aragonitt(CaC03, kanskje bedre kjent som kritt)-plater omgitt av lag med elastiske biopolymerer som kitin, lustrin og andre proteiner. Denne oppbygningen av materialet gjør det 3000 ganger sterkere enn rent aragonitt, og det er denne enorme forskjellen som gjør at forskere i lang tid har prøvd å lære mer om oppbygningen. Håpet må være at vi innen en stadig minkende tidshorisont kan bruke denne kunnskapen til å masseprodusere sterkere og lettere stoffer enn tidligere.

== Utfordring ved bruk av nanobyggestener ==
Nanobyggestener er hver for seg tilnærmet ideelle materialer, med høy strekkstyrke og Young's modulus. Dessverre er det ikke slik at man kan hive sammen en haug av nanopartikler, og oppnå et materiale i bulk med egenskaper lik summen av partiklene det er satt sammen av. Det har vist seg at polymerer styrket med nanomaterialer har langt dårligere egenskaper enn de enkelte byggestenene hver for seg. Unntaket er hvis volumprosenten av det styrkende nanomaterialet er lav. Dette kan antakeligvis forklares ved viktigheten av struktur i komposittmaterialet. Hvis man bruker en høy volumprosent av nanopartikler er det vanskelig å kontrollere strukturen, spesielt fordi partiklene har en tendens til å aggregere og danne bulk materiale. Det er ønskelig at nanoelementene i komposittmaterialet rangerer seg på en ordnet måte, uten å klumpe seg sammen, da dette maksimerer kontaktflaten mellom nanopartikler og polymer.

En annen utfordring er selve produksjonen. Det er svært vanskelig å kontrollere oppførselen til et materiale på nanoskala. Det finnes muligheter for å plassere en og en partikkel f.eks med en AFM spiss, men hvis produksjon skal foregå på litt større skala må man ty til selvorganisering. For å oppnå ønsket resultat ved selvorganisering trengs inngående kunnskap om nanomaterialets fysiske og kjemiske egenskaper.

== Oppbygningen av skjellet ==
[[Bilde:nacreAFMPC.jpg|left|thumb|250px|Oppbygningen av Abalonskjellet, med polygonformede biokrystaller omggitt av proteiner. Bilde tatt med AFM og fasekontrast. [1]]]

''Haliotis Rufescens'' (Rød Abalon, Regnbuestein) er en av de sterkeste skjellene hva gjelder fysiske egenskaper. Innsiden har et regnbuefarget utseende, litt på samme måten som en CD, og denne likheten er det første indisiet på at vi har med en mikro- eller nanostruktur å gjøre. Allerede i 1955 kunne ''Grégoire et al.'' bevise at skjellene består av plater med organiske forbindelser, og ''Weiner'' kunne i 1986 fastslå at det dreide seg om plater på ca. ~5 µm i diameter, og med en tykkelse på 0.5µm, omgitt av et biopolymer. Ved å studere skjellet med AFM, SEM og TEM, har man med tiden kartlagt oppbygningen til materialet; skjellene består polygoniske biomineraler av aragonitt/kritt(CaCO3) separert av tynne (~45nm) lag med elastiske, organiske polymer-lignende proteiner, slik at strukturen på nano-skala ligner makroskopiske murvegger, med krystallene som "mursteiner" og proteinene som "sement". Det finnes to forskjellige strukturformer i skjellene; kolonne- og trappeform.
[[Bilde:nacreSEMcross.jpg|right|thumb|250px|Tversnitt av Abalonskjellet, tatt med SEM. [2]]]
Kolonneform betyr at sentrum av hver krystallplate ligger omtrent rett over sentrum av plata under. Når sentrum i hver plate ligger omtrent over skjøten mellom de underliggende platene, omtrent på samme måte som i murvegger, kalles dette trappeform. Det som fascinerer mest med denne oppbygningen er at hovedbestanddelen (95%) av materialet er kritt, et av naturens mest skjøre materialer (tenk tavlekritt, eggeskall etc). Oppbygningen i skjellene gjør at materialet tåler 3000 ganger så mye som aragonitt i vanlig bulk-form. Den samme strukturen finnes blant annet i ben hos alle større dyr, som hos mennesket. Vår benbygning består på samme måte av plater med mineralet kalsium- hydroksyapatitt, omgitt av et mykere vev av kollagen. Den viktigste forskjellen mellom skjellene og vår benbygning er likevel at våre ben består av relativt sett mindre mineraler i forhold til det mykere biopolymeret (~95% for skjellene og ~45% i vår benbygning). Dette gjør at mens skjellene er hardere enn vår benbygning, tåler vi mer støt, strekk og bøying før materialet gir etter.

(En liten digresjon for de spirituelle (fra Alternativ Helse): "Abalon er god for kjærlighet, romantikk, god mat, og kreativitet (spesielt lyrikk og musikk) (...) Beskytter mot negative energier, spesielt sinne, depresjon, frykt, og tristhet. (...) fører til inspirasjon og kreativitet, spesielt innen skriving. Denne virkningen er sterkest til skapende skriving, som poesi og lyrikk, men er også fin innen forretning eller skoleskriving.")

== Dimensjoner og materialer ==
Biomimikk går ut på å imitere naturen nøyaktig for å bygge opp materialer med de egenskapene man finner i naturen. Bioinspirasjon derimot, handler om å hente inspirasjon fra naturens mange kilder, for så å utvikle videre et syntetisk materiale med helt spesifikke egenskaper, som kan overskride naturen på flere områder. Vi har mange flere materialer å velge mellom enn naturen, kan variere dimensjoner og strukturer på alle lengdeskalaer, og har dermed mange flere variable å utforske for å oppnå akkurat de egenskapene vi er ute etter. Dette er imidlertid lettere sagt en gjort, konstruksjonen av ben eller skjell lignende strukturer har vist seg å være ekstremt vanskelig, spesielt fordi det er meget utfordrene å finne generelle teknikker som fungerer for forskjellige materialer. Vi skal derfor her ta for oss en spesifikk type polymerfilm.

Før valg av materiale gjelder det å få oversikt over hvilke egenskaper den organiske og den uorganiske fasen bør ha, og hvor stor prosentandel man ideelt sett bør bruke av hver av dem.

Hvis man kjenner til styrken til de forskjellige materialene hver for seg samt volumprosenten av plater, kan man regne ut den totale styrken til hybridmaterialet ved følgende formel:
:<math>\sigma_c = \alpha V_p \sigma_p + (1-V_p)\sigma_m</math>
Der <math>\sigma_c</math> er maksimal strekkstyrke (tensile strength) til materialet, <math>V_p</math> er volumprosenten av plater, <math>\sigma_p</math> og <math>\sigma_m</math> er strekkstyrken til henholdsvis platene og polymermaterialet i matrisen rundt platene. <math>\alpha</math> er en funksjon av s, <math>\tau_y</math> og <math>\sigma_p</math>, der s er forholdet mellom lengde og tykkelse på platene (aspektrate) og <math>\tau_y</math> er flyt skjærstyrken (yield shear stength) til polymermatrisen.

[[Bilde:Brudd copy.jpg|left|thumb|250px|Den øverste figuren viser hvordan filmen vil knekke hvis <math>s>s_c</math>, mens den nederste figuren illustrerer hvordan materialet kan bli styrket hvis <math>s<s_c</math>, og platene er fleksible i polymermatrisen i stedet for å knekke tvert av ved en påført kraft.]]
Uttrykket for <math>\alpha</math> avhenger av s, aspektraten til platene. Hvis s er høyere enn en kritisk verdi <math>s_c</math>, vil hybridmaterialet knekke tvert av ved en viss påført kraft. I dette tilfellet uttrykkes <math>\alpha</math> på følgende måte:
:<math>\alpha = 1-\frac{\sigma_p}{2\tau_y s}</math>

Hvis s derimot er mindre enn den kritiske verdien <math>s_c</math>, vil platene være fleksible i polymermatrisen når en kraft påføres, og det skal mye mer til før materialet går helt i stykker. I dette tilfellet uttrykkes <math>\alpha</math> som følger:
:<math>\alpha = \frac{\tau_y s}{2\sigma_p}</math>

Den ønskelige situasjonen er sistnevnte, der <math>s<s_c</math>. For å oppnå maksimal styrke på alle måter bør s være nært oppunder <math>s_c</math>.

<math>s_c</math> er en funksjon av <math>\sigma_p</math> og <math>\tau_y</math>: <math>s_c = \frac{\sigma_p}{\tau_y}</math>

Naturen har begrenset med materialer å velge mellom. Nacre er for eksempel bygget opp av aragonittplater i et organisk materiale, og <math>s_c</math> befinner seg da et sted mellom 9 og 12,5, noe som er en relativt lav verdi. Aragonitt har en <math>\sigma_p</math> verdi på mellom 360 og 500 MPa, mens syntetiske uorganiske plater kan ha <math>\sigma_p</math> verdier mellom 2 og 5 GPa. Dette gir rom for å bruke plater med en merkbart høyere aspektrate, uten å overskride den kritiske verdien <math>s_c</math>.

Volumprosenten av uorganiske plater har mye å si for filmens egenskaper. For få plater gir et materiale som tåler mye deformering før det ødelegges, men som til gjengjeld er mykt og lite beskyttende. For mange plater gjør materialet hardt og stivt, men da blir det også skjørt og følsomt for sprekker. Hvis volumprosenten er altfor høy vil dessuten ikke platene organisere seg i en ordnet struktur som gir de egenskapene vi er ute etter. Her ønskes et materiale som både er hardt og fleksibelt.

[[Bilde:volumprosent.jpg|center|thumb|800px|Figur A, B og C inneholder henholdsvis 5, 11 og 60 vol% <math>Al_2O_3</math> plater. Man ser at ved 60 vol% blir strukturen uordnet og hullete, mens platene beholder sin struktur for vol% lavere enn 20. Lengdeskalaen på bildene er henholdsvis 10, 5 og 2µm.]]

[[Bilde:stress vs strain.jpg|right|thumb|300px|Denne figuren viser hvordan komposittmaterialet tåler mer og mer påført kraft før det deformeres ettersom volumprosenten av plater økes fra null og opp imot 20]]
Bonderer ''et al.'' (ref: bioinspired artikkelen) valgte å lage en forsterket polymerfilm med 15 vol% aluminiumoksidplater i en matrise av kitosan. Aluminiumsplatene har en estimert strekkstyrke <math>\sigma_p</math> på 2 GPa (der aragonitt til sammenligning har en strekkstyrke mellom 360 og 500 MPa), og kitosan har en flyt skjærstyrke på ca 40MPa. Dette gir en kritisk verdi <math>s_c</math> på omtrent 50, noe som er mye høyere enn hva man finner i skjellstrukturer i naturen (<math>9<s_c<12,5</math> for nacre). Man kan dermed øke aspektraten (s) og fortsatt beholde en fleksibel oppførsel ved påført kraft, noe som gjør at materialet tåler mer. I dette eksempelet valgte forskerne en aspektrate på 40, og plater med en tykkelse på ca 200nm. Tykkelsen er på samme nivå som platene funnet i nacre, men i og med at aspektraten er høyere kan platene være lengre, og dette øker effektiviteten av kraftskifting (load transfer) til de uorganiske platene. Volumprosenten ble satt til 15 på grunnlag av observasjonene vist i figur___, der man ser at volumprosenter over 20 gir materialet en hullete og dårlig struktur. I tillegg ble dette valget basert på observasjoner av hvor mye materialet deformeres som følger av påført kraft, som vist i figur__.

Podsiadlo og hans kolleger har prøvd seg med montmorillonitt (MTM) leirplater i en matrise av polyvinylalkohol (PVA). De har fokusert på kjemien i grensesnittet mellom platene og polymermatrisen for å maksimere kraftoverføring til den sterkere uorganiske fasen.

== Produksjon ==
=== Metoder ===
Som nevnt tidligere finnes det ingen enkel og generell oppskrift på hvordan man kan produsere disse harde og sterke materialene. Ethvert materiale har spesifikke egenskaper, og det er ofte åpent for å anvende en ny teknikk som kun fungerer for et gitt materiale. Etter mye forskning, prøving og feiling, har man likevel kommet fram til noen fabrikasjonsmetoder som er mer generelle enn andre. Disse kan deles opp i følgende fire kategorier:
*'''Selvorganisering og "bottom up"'''
Denne metoden er nyttig i produksjonen av harde materialer, og drar nytte av visse elementers evne til å adsorbere og selvorganisere på en overflate.
*'''Elektroforetisk deposisjon'''
Denne metoden baserer seg på at ladde partikler selvorganiserer under påvirkning av et elektrisk felt. Ladde nanopartikler blandes i en suspensjon, og ved å sette på et eksternt elektrisk felt vil disse migrere til og feste seg på elektroden.
*'''Lag på lag metoden'''
Dette er en enkel metode for å produsere tynne filmer, gjerne med alternerende organisk-uorganisk fase. Et ladd substrat dyppes annenhver gang i motsatt ladde løsninger av polyelektrolytter.
*'''Templat inhibering'''

=== Anvendte teknikker ===
Noen av ovennevnte fabrikasjonsmetoder innebærer bruken av teknikker som krever en kort forklaring:

*'''Dip coating: Dypp-belegging'''
[[Bilde:Dip coating.gif|left|thumb|300px|De tre trinnene i dypp-beleggingsprosessen]]
Som det fremkommer av navnet beskriver dette en metode for å belegge noe med et tynt lag av noe annet. Vanligvis deles prosessen inn i fire deler: Først senkes gjenstanden som skal belegges ned i et beleggingsmateriale med konstant hastighet. Deretter lar man gjenstanden hvile i løsningen av beleggingsmateriale, slik at det skal få tid til å feste seg på overflaten. Etter en gitt tid trekkes gjenstanden opp igjen av løsningen, fortsatt med konstant hastighet for å unngå ujevnheter i filmen som blir lagt igjen på overflaten. Til slutt må filmen tørkes, slik at kun materialet som filmen skal bestå av er igjen på overflaten. Dette skjer oftest ved at løsning fordamper.
Det som i hovedsak bestemmer tykkelsen på filmen er hastigheten gjenstanden blir trukket opp igjen fra løsningen med. Jo høyere hastighet, jo tykkere film.

*'''Spin coating: Rotasjonsbelegging'''
[[Bilde:spincoat.jpg|right|thumb|300px|Prosessen i spin-coating og en representasjon av tykkelsen på laget som følge av rotasjonshastighet]]
Dette beskriver en annen teknikk for å belegge noe med en tynn film. Rotasjonsbelegging består i hovedsak av tre trinn: Påføring, rotasjon og tørking. Først dryppes eller sprayes beleggingsmaterialet, i flytende form, på sentrum av overflaten av gjenstanden som skal belegges. Belegget påføres i overflod i forhold til hva som blir igjen ved slutten av prosessen. Deretter settes gjenstanden inn i en maskin som kan rotere med høy hastighet. Når maskinen roterer vil belegget spres som følger av sentrifugalkraften, og til slutt renne over kanten av overflaten. Hastigheten bestemmer man selv, og avhenger av hvor tykk filmen skal være, og hva slags materiale den består av. Jo høyere vinkelhastighet, jo tynnere film. Vanligvis er løsningen volatil, og fordamper samtidig som gjenstanden roteres. Dette gjør at konsentrasjonen av løsningen også spiller inn på tykkelsen av filmen, der høy konsentrasjon gir en tykkere film enn lav konsentrasjon.
Andre faktorer som spiller inn på tykkelsen og egenskapene til filmen er: Akselerasjon til endelig rotasjonshastighet, rotasjonstid, viskositet til beleggingsvesken, fordampningshastighet, overflatespenning, temperatur, luftfuktighet osv.

*'''Sonication: Lydbehandling'''
Lydbehandling består i å tilføre energi til en prøve ved bruk av lydbølger, vanligvis ultralyd. Den høyfrekvente lyden blir generert elektronisk, og tilføres videre som mekanisk energi til prøven via en metallprobe som oscillerer med høy frekvens. Et såkalt ultralydbad kan også brukes. Når partiklene får høyere energi vil de bevege seg mer, og dette kan utnyttes på flere måter. Intermolekylære bånd kan brytes, noe som kan brukes til å løse opp og blande stoffer svært raskt. Energien tilført kan også utnyttes for å få en kjemisk reaksjon til å gå, til å fjerne oppløst gass fra en væske eller til å starte en krystalliseringsprosess. Innen biologi kan lydbehandling brukes til å ødelegge cellemembraner, for så å frigjøre det som befinner seg inne i cellen. Et mer populært bruksområde er rengjøring, fordi lydbehandling kan brukes til å løsne partikler fra en overflate. Denne typen rengjøring blir ofte brukt på briller og smykker.

=== Fremgangsmåte ===
Flere materialer har blitt prøvd ut for å lage lignende polymerfilmer, men her skal vi se på produksjonen av en film satt sammen av aluminiumsplater og kitosan. Kitosan er en biopolymer som produseres fra råstoffet kitin, som man i Norge hovedsakelig utvinner fra rekeskall.

Hovedidéen bak produksjonsprosessen er at man skal legge aluminiumsplater og kitosan lagvis oppå hverandre, inntil man oppnår en film med en tykkelse på mindre enn noen titalls mikrometer. Hvert lag må altså være svært tynt, og aluminiumsplatene må ikke ligge klumpet oppå hverandre.

[[Bilde:produksjon.jpg|left|thumb|200px|Skjematisk tegning av silankjeder av typen aminopropyltriethoxysilane, ATES, festet til overflaten av en aluminiumsplate]]
På grunn av sin lave størrelse kan aluminiumsplatene ses på som kolloidale partikler, og har evnen til å adsorbere på overflaten mellom luft og vann. Det blir utnyttet her. For å lette adsorpsjonen blir først noe hydrofobe silankjeder (aminopropyltriethoxysilane, ATES) festet på den ene siden av aluminiumsplatene. En silankjede kan ses på som ekvivalent til et alkan, der karbonet er byttet ut med silisium. Festeprosessen blir gjort ved å tilsette plater i en løsning av ATES, løsningen lydbehandles så i fem minutter og blandes i 30 min ved 40graderC. Platene blir så vasket med etanol ved hjelp av sentrifugering. Silankjedene som festes på aluminiumsplatene har en aminogruppe på enden, som senere er ment å danne hydrogenbånd med oksygenet i kitosan.

For å danne en tett og homogen langmuirfilm av plater på vannoverflaten lages først en suspensjon av plater i etanol. Suspensjonen består av 1 vol% plater. Denne løsningen blir så dryppet på en vannoverflate, og videre behandlet i 15-30 min med lydbehandling. I løpet av lydbehandlingen dannes også elektriske dobbeltlag mellom de likt ladde aluminiumsplatene, og frastøtningskreftene mellom dem bidrar til bedre struktur i monolaget.

Monolaget blir så overført til en glassplate ved bruk av dypp-belegging og tørking ved 50graderC. Neste steg er å belegge dette igjen med et tynt lag av kitosan, noe som blir gjort ved rotasjonsbelegging. Beleggingsløsningen blir laget ved å la kitosan ligge i en 0,34 M løsning av eddiksyre i minst 24 timer. Eddiksyren er ment å protonere kitosan makromolekylene og amingruppene på enden av silankjedene, for å lette dannelsen av hydrogenbond mellom den organiske og uorganiske fasen. Rotasjon utføres i 40 sekunder med en hastighet på 2000 rpm, hvorpå kitosanlaget tørkes ved 50graderC. Tykkelsen av polymerlaget kan bestemmes ved å endre konsentrasjonen av kitosan i beleggingsløsningen.

Disse trinnene blir så gjentatt inntil ønsket tykkelse på filmen er oppnådd, noe som vanligvis tilsvarer mellom 8 og 10 lag av plater. Når filmen er ferdig fjernes den fra glassplaten med et barberblad.
 

==Andre prosjekter på området==
Ved University of California bruker man en annen innfallsvinkel og bruker kunnskapen om skjellenes holdbarhet til å lage sterkere metallegeringer. Man legger lagvis tynne plater av Titan og Aluminium oppå hverandre på samme måte som krittplatene i skjellet, adskilt av en myk Titan-legering, som tar rollen som det myke vevet rundt platene. Mange produsenter innen spesielt flybransjen ser på dette som en god erstatning for materialet som i dag brukes i flykroppen, siden det gir et mye sterkere materiale per vekt enn i dagens fly. Materialet i seg selv er sterkere enn murstein, og den største fordelen er at eventuelle sprekkdannelser sprer seg i materialet heller enn at materialet knekker på et bestemt sted. Disse egenskapene gjør at materialet også kunne brukes som lett pansring i militære sammenhenger.

==Applikasjoner==
* Biologiske eller syntetiske nacre-lignende materialer har evnen til å integrere seg i benstrukturer, og kan dermed brukes innen biomedisin, spesielt innen ortopedi og tannbehandling.
* Applikasjoner for sterke polymerer; Mer bruk av polymerer som erstatning for korroderende metaller i bygninger, fly, biler, båter etc., forbruksvarer (strikken som aldri ryker)
* Lettere og mer holdbare keramer

 

==Relevans for nanoteknologer==
* Mikro- og nanostrukturen i materialer kan ha MYE å si for dets fysiske, makroskopiske egenskaper.
* Ved å bruke materialer med forskjellige egenskaper i forskjellige "blandingsforhold" kan man lage materialer som ikke bare tar med seg det beste fra disse materialene, men også øker ytelsen ifht bestanddelene.
* viktig å la seg inspirere av naturens nanostrukturer, men samtidig også slippe seg løs og finne nye materialer og løsninger som er bedre egnet enn det naturen kan få til.
* Kanskje har også naturen enda mer å gå på evolusjonsmessig; det lønner seg å utforske forskjellige variasjoner av oppbygningen.
* Naturen har en viktig fordel; kan vha DNA og RNA å bygge mikro- og nanostrukturer med en utrolig nøyaktighet og nærmest uten feil.
* Man kan lære av tankegangen i dette forsøket; i stedet for å lage mer holdbare keramer, som er formålet med skjellenes oppbygning, bruker man det man har lært fra skjellene til å lage sterkere polymerer for andre formål. Tenk nytt!
* Holdbarheten til abalonskjellet er lett å merke når man undersøker det makroskopisk. Men finnes det små organismer som er vanskelig å undersøke makroskopisk, som har enda bedre nanostruktur?

== Konklusjon ==
[[Bilde:seashells.gif|right|thumb|350px|A: Tverrsnitt som viser strukturen av et rødt California Abalone skjell. B: SEM bilde av grensesnittet mellom kalsitt og nacre i et Trochus Niloticus skjell. C: Kunstig farget SEM bilde av en lag på lag spiralstruktur i T. Niloticus nacre. D: Venstre: AFM bilde av nanopartikler på overflaten av en separat nacre-plate fra et rødt California Abalone skjell. Høyre: Skjematisk fremstilling av hvordan nanopartiklene roteres ved en påført kraft]]
Forskning på naturens sterke materialer har pågått i flere tiår allerede. Vi har funnet mange eksempler på plateforsterkede materialer, spesielt i diverse skjell, ben og tenner, og flere forsøk har blitt gjort på å fabrikkere lignende strukturer. Likevel har vi langt igjen for å kunne måle oss med naturens unike konstruksjonsferdigheter. Ikke bare har vi vanskeligheter med selve produksjonsprosessen, men vi har også en begrenset forståelse av den komplekse og hierarkiske strukturen som finnes i naturens materialer. Når det gjelder plateforsterkede polymerfilmer har vi klart å lage en lignende struktur av plater organisert i en polymermatrise, men det finnes andre aspekter og høyere ordens strukturelementer vi enda ikke har utforsket. Eksempler hentet fra strukturen i forskjellige skjell er vist i figuren til høyre.
Vi har likevel en stor fordel i forhold til naturen, fordi vi kan velge mellom mange flere konstruksjonsmaterialer. Med dagens halvgode produksjonsmetoder klarer vi allerede å konstruere plateforsterkede polymerfilmer med like gode egenskaper som i naturen på visse områder. Ved videre forståelse av biomaterialer og utvikling av produksjonsmetoder kan man se for seg muligheten for produksjon av helt eksepsjonelle komposittmaterialer en gang i framtiden, som overskrider naturen på alle områder.

== Kilder ==

[1] http://hal.archives-ouvertes.fr/docs/00/09/20/27/PDF/Bourrat-BioMin-2005.pdf 
[2] http://www.biophysik.uni-bremen.de/fritz/research.html 
http://nysgjerrigper.no/Artikler/2005/april/med-naturen-som-fasit 
http://arjournals.annualreviews.org/doi/full/10.1146/annurev.physchem.51.1.601?amp;searchHistoryKey=${searchHistoryKey}&cookieSet=1 
http://www.sciencemag.org/cgi/reprint/318/5847/80.pdf 
http://www.sciencemag.org/cgi/data/319/5866/1069/DC1/1 
Bioinspired Design and Assembly of Platelet Reinforced Polymer Films, Lorenz J. Bonderer, et al. Science 319, 1069 (2008); DOI: 10.1126/science.1148726
http://www.sciencemag.org/cgi/content/full/sci;319/5866/1053#ref4 
http://www.clean.cise.columbia.edu//process/spintheory.pdf 
http://en.wikipedia.org/wiki/Spin_coating 
http://en.wikipedia.org/wiki/Sonication 
http://en.wikipedia.org/wiki/Cell_disruption 
http://rsta.royalsocietypublishing.org/content/367/1893/1587.full 
http://www.nanowerk.com/spotlight/spotid=2131.php 
http://www.nytimes.com/2005/03/22/science/22abal.html 
http://www.postech.ac.kr/ce/lamp/research3-3.html 
(Den spirituelle digresjonen):"http://www.althelse.com/steiner-&-krystaller/1228-abalone.html?showall=1"

Bioinspirert design og sammensetting av plateforsterkede polymerfilmer

2009-03-23T12:10:09Z

Eirikgje: /* Kilder */

== Innledning ==
[[Bilde:fuflogfly.jpg|right|thumb|350px|NASA har utviklet et fly som kan endre form og lengde på vingene for minst mulig motstand og turbulens under flygingen, og som kan splitte opp vingespissene ved landing. Designet er inspirert av hvithodehavørnen, vist til vesntre.]]
Naturen har gjennom millioner av år med evolusjon utviklet sofistikerte og effektive materialer til forskjellige formål. Vi mennesker har kun eksistert en brøkdel av denne tidsperioden, og på tross av at vi er en av de dyktigste livsformene hva gjelder utvikling av forskjellige redskaper, har vi fortsatt mye å lære av andre organismer. I naturen finnes hundrevis av eksempler på fremgangsmåter, kamuflasje og smarte materialer, som vi bare såvidt har begynt å utforske. Noen eksempler er fly konstruert etter inspirasjon fra fuglers flyteknikk, svømmedrakter designet på samme måte som haihud, og en kamuflasjegel som reflekterer lyset fra omgivelsene, inspirert av blekksprutens evne til å skifte farge.

== Inspirasjon ==
Så og si alle biologiske komposittmaterialer har spesifikke strukturegenskaper på alle lengdeskalaer, fra molekylær, via nanoskopisk og mikroskopisk, til makroskopisk. Innen nanoteknologi er det spesielt interessant å utforske hvordan naturen har utviklet materialer på mikro- og nanoskala for å få dem best mulig egnet til deres bruk.

Mange organismer har bruk for harde og slitesterke materialer. For mennesker og andre dyr er det viktig å ha sterke tenner og skjelett, for mindre organismer er det viktig med harde skall for å beskytte de bløte delene. Et eksempel på dette er forskjellige skjell, som bygger skallet sitt ved hjelp av nanostrukturerte aragonitt(CaC03, kanskje bedre kjent som kritt)-plater omgitt av lag med elastiske biopolymerer som kitin, lustrin og andre proteiner. Denne oppbygningen av materialet gjør det 3000 ganger sterkere enn rent aragonitt, og det er denne enorme forskjellen som gjør at forskere i lang tid har prøvd å lære mer om oppbygningen. Håpet må være at vi innen en stadig minkende tidshorisont kan bruke denne kunnskapen til å masseprodusere sterkere og lettere stoffer enn tidligere.

== Utfordring ved bruk av nanobyggestener ==
Nanobyggestener er hver for seg tilnærmet ideelle materialer, med høy strekkstyrke og Young's modulus. Dessverre er det ikke slik at man kan hive sammen en haug av nanopartikler, og oppnå et materiale i bulk med egenskaper lik summen av partiklene det er satt sammen av. Det har vist seg at polymerer styrket med nanomaterialer har langt dårligere egenskaper enn de enkelte byggestenene hver for seg. Unntaket er hvis volumprosenten av det styrkende nanomaterialet er lav. Dette kan antakeligvis forklares ved viktigheten av struktur i komposittmaterialet. Hvis man bruker en høy volumprosent av nanopartikler er det vanskelig å kontrollere strukturen, spesielt fordi partiklene har en tendens til å aggregere og danne bulk materiale. Det er ønskelig at nanoelementene i komposittmaterialet rangerer seg på en ordnet måte, uten å klumpe seg sammen, da dette maksimerer kontaktflaten mellom nanopartikler og polymer.

En annen utfordring er selve produksjonen. Det er svært vanskelig å kontrollere oppførselen til et materiale på nanoskala. Det finnes muligheter for å plassere en og en partikkel f.eks med en AFM spiss, men hvis produksjon skal foregå på litt større skala må man ty til selvorganisering. For å oppnå ønsket resultat ved selvorganisering trengs inngående kunnskap om nanomaterialets fysiske og kjemiske egenskaper.

== Oppbygningen av skjellet ==
[[Bilde:nacreAFMPC.jpg|left|thumb|250px|Oppbygningen av Abalonskjellet, med polygonformede biokrystaller omggitt av proteiner. Bilde tatt med AFM og fasekontrast. [1]]]

''Haliotis Rufescens'' (Rød Abalon, Regnbuestein) er en av de sterkeste skjellene hva gjelder fysiske egenskaper. Innsiden har et regnbuefarget utseende, litt på samme måten som en CD, og denne likheten er det første indisiet på at vi har med en mikro- eller nanostruktur å gjøre. Allerede i 1955 kunne ''Grégoire et al.'' bevise at skjellene består av plater med organiske forbindelser, og ''Weiner'' kunne i 1986 fastslå at det dreide seg om plater på ca. ~5 µm i diameter, og med en tykkelse på 0.5µm, omgitt av et biopolymer. Ved å studere skjellet med AFM, SEM og TEM, har man med tiden kartlagt oppbygningen til materialet; skjellene består polygoniske biomineraler av aragonitt/kritt(CaCO3) separert av tynne (~45nm) lag med elastiske, organiske polymer-lignende proteiner, slik at strukturen på nano-skala ligner makroskopiske murvegger, med krystallene som "mursteiner" og proteinene som "sement". Det finnes to forskjellige strukturformer i skjellene; kolonne- og trappeform.
[[Bilde:nacreSEMcross.jpg|right|thumb|250px|Tversnitt av Abalonskjellet, tatt med SEM. [2]]]
Kolonneform betyr at sentrum av hver krystallplate ligger omtrent rett over sentrum av plata under. Når sentrum i hver plate ligger omtrent over skjøten mellom de underliggende platene, omtrent på samme måte som i murvegger, kalles dette trappeform. Det som fascinerer mest med denne oppbygningen er at hovedbestanddelen (95%) av materialet er kritt, et av naturens mest skjøre materialer (tenk tavlekritt, eggeskall etc). Oppbygningen i skjellene gjør at materialet tåler 3000 ganger så mye som aragonitt i vanlig bulk-form. Den samme strukturen finnes blant annet i ben hos alle større dyr, som hos mennesket. Vår benbygning består på samme måte av plater med mineralet kalsium- hydroksyapatitt, omgitt av et mykere vev av kollagen. Den viktigste forskjellen mellom skjellene og vår benbygning er likevel at våre ben består av relativt sett mindre mineraler i forhold til det mykere biopolymeret (~95% for skjellene og ~45% i vår benbygning). Dette gjør at mens skjellene er hardere enn vår benbygning, tåler vi mer støt, strekk og bøying før materialet gir etter.

(En liten digresjon for de spirituelle (fra Alternativ Helse): "Abalon er god for kjærlighet, romantikk, god mat, og kreativitet (spesielt lyrikk og musikk) (...) Beskytter mot negative energier, spesielt sinne, depresjon, frykt, og tristhet. (...) fører til inspirasjon og kreativitet, spesielt innen skriving. Denne virkningen er sterkest til skapende skriving, som poesi og lyrikk, men er også fin innen forretning eller skoleskriving.")

== Dimensjoner og materialer ==
Biomimikk går ut på å imitere naturen nøyaktig for å bygge opp materialer med de egenskapene man finner i naturen. Bioinspirasjon derimot, handler om å hente inspirasjon fra naturens mange kilder, for så å utvikle videre et syntetisk materiale med helt spesifikke egenskaper, som kan overskride naturen på flere områder. Vi har mange flere materialer å velge mellom enn naturen, kan variere dimensjoner og strukturer på alle lengdeskalaer, og har dermed mange flere variable å utforske for å oppnå akkurat de egenskapene vi er ute etter. Dette er imidlertid lettere sagt en gjort, konstruksjonen av ben eller skjell lignende strukturer har vist seg å være ekstremt vanskelig, spesielt fordi det er meget utfordrene å finne generelle teknikker som fungerer for forskjellige materialer. Vi skal derfor her ta for oss en spesifikk type polymerfilm.

Før valg av materiale gjelder det å få oversikt over hvilke egenskaper den organiske og den uorganiske fasen bør ha, og hvor stor prosentandel man ideelt sett bør bruke av hver av dem.

Hvis man kjenner til styrken til de forskjellige materialene hver for seg samt volumprosenten av plater, kan man regne ut den totale styrken til hybridmaterialet ved følgende formel:
:<math>\sigma_c = \alpha V_p \sigma_p + (1-V_p)\sigma_m</math>
Der <math>\sigma_c</math> er maksimal strekkstyrke (tensile strength) til materialet, <math>V_p</math> er volumprosenten av plater, <math>\sigma_p</math> og <math>\sigma_m</math> er strekkstyrken til henholdsvis platene og polymermaterialet i matrisen rundt platene. <math>\alpha</math> er en funksjon av s, <math>\tau_y</math> og <math>\sigma_p</math>, der s er forholdet mellom lengde og tykkelse på platene (aspektrate) og <math>\tau_y</math> er flyt skjærstyrken (yield shear stength) til polymermatrisen.

[[Bilde:Brudd copy.jpg|left|thumb|250px|Den øverste figuren viser hvordan filmen vil knekke hvis <math>s>s_c</math>, mens den nederste figuren illustrerer hvordan materialet kan bli styrket hvis <math>s<s_c</math>, og platene er fleksible i polymermatrisen i stedet for å knekke tvert av ved en påført kraft.]]
Uttrykket for <math>\alpha</math> avhenger av s, aspektraten til platene. Hvis s er høyere enn en kritisk verdi <math>s_c</math>, vil hybridmaterialet knekke tvert av ved en viss påført kraft. I dette tilfellet uttrykkes <math>\alpha</math> på følgende måte:
:<math>\alpha = 1-\frac{\sigma_p}{2\tau_y s}</math>

Hvis s derimot er mindre enn den kritiske verdien <math>s_c</math>, vil platene være fleksible i polymermatrisen når en kraft påføres, og det skal mye mer til før materialet går helt i stykker. I dette tilfellet uttrykkes <math>\alpha</math> som følger:
:<math>\alpha = \frac{\tau_y s}{2\sigma_p}</math>

Den ønskelige situasjonen er sistnevnte, der <math>s<s_c</math>. For å oppnå maksimal styrke på alle måter bør s være nært oppunder <math>s_c</math>.

<math>s_c</math> er en funksjon av <math>\sigma_p</math> og <math>\tau_y</math>: <math>s_c = \frac{\sigma_p}{\tau_y}</math>

Naturen har begrenset med materialer å velge mellom. Nacre er for eksempel bygget opp av aragonittplater i et organisk materiale, og <math>s_c</math> befinner seg da et sted mellom 9 og 12,5, noe som er en relativt lav verdi. Aragonitt har en <math>\sigma_p</math> verdi på mellom 360 og 500 MPa, mens syntetiske uorganiske plater kan ha <math>\sigma_p</math> verdier mellom 2 og 5 GPa. Dette gir rom for å bruke plater med en merkbart høyere aspektrate, uten å overskride den kritiske verdien <math>s_c</math>.

Volumprosenten av uorganiske plater har mye å si for filmens egenskaper. For få plater gir et materiale som tåler mye deformering før det ødelegges, men som til gjengjeld er mykt og lite beskyttende. For mange plater gjør materialet hardt og stivt, men da blir det også skjørt og følsomt for sprekker. Hvis volumprosenten er altfor høy vil dessuten ikke platene organisere seg i en ordnet struktur som gir de egenskapene vi er ute etter. Her ønskes et materiale som både er hardt og fleksibelt.

[[Bilde:volumprosent.jpg|center|thumb|800px|Figur A, B og C inneholder henholdsvis 5, 11 og 60 vol% <math>Al_2O_3</math> plater. Man ser at ved 60 vol% blir strukturen uordnet og hullete, mens platene beholder sin struktur for vol% lavere enn 20. Lengdeskalaen på bildene er henholdsvis 10, 5 og 2µm.]]

[[Bilde:stress vs strain.jpg|right|thumb|300px|Denne figuren viser hvordan komposittmaterialet tåler mer og mer påført kraft før det deformeres ettersom volumprosenten av plater økes fra null og opp imot 20]]
Bonderer ''et al.'' (ref: bioinspired artikkelen) valgte å lage en forsterket polymerfilm med 15 vol% aluminiumoksidplater i en matrise av kitosan. Aluminiumsplatene har en estimert strekkstyrke <math>\sigma_p</math> på 2 GPa (der aragonitt til sammenligning har en strekkstyrke mellom 360 og 500 MPa), og kitosan har en flyt skjærstyrke på ca 40MPa. Dette gir en kritisk verdi <math>s_c</math> på omtrent 50, noe som er mye høyere enn hva man finner i skjellstrukturer i naturen (<math>9<s_c<12,5</math> for nacre). Man kan dermed øke aspektraten (s) og fortsatt beholde en fleksibel oppførsel ved påført kraft, noe som gjør at materialet tåler mer. I dette eksempelet valgte forskerne en aspektrate på 40, og plater med en tykkelse på ca 200nm. Tykkelsen er på samme nivå som platene funnet i nacre, men i og med at aspektraten er høyere kan platene være lengre, og dette øker effektiviteten av kraftskifting (load transfer) til de uorganiske platene. Volumprosenten ble satt til 15 på grunnlag av observasjonene vist i figur___, der man ser at volumprosenter over 20 gir materialet en hullete og dårlig struktur. I tillegg ble dette valget basert på observasjoner av hvor mye materialet deformeres som følger av påført kraft, som vist i figur__.

Podsiadlo og hans kolleger har prøvd seg med montmorillonitt (MTM) leirplater i en matrise av polyvinylalkohol (PVA). De har fokusert på kjemien i grensesnittet mellom platene og polymermatrisen for å maksimere kraftoverføring til den sterkere uorganiske fasen.

== Produksjon ==
=== Metoder ===
Som nevnt tidligere finnes det ingen enkel og generell oppskrift på hvordan man kan produsere disse harde og sterke materialene. Ethvert materiale har spesifikke egenskaper, og det er ofte åpent for å anvende en ny teknikk som kun fungerer for et gitt materiale. Etter mye forskning, prøving og feiling, har man likevel kommet fram til noen fabrikasjonsmetoder som er mer generelle enn andre. Disse kan deles opp i følgende fire kategorier:
*'''Selvorganisering og "bottom up"'''
Denne metoden er nyttig i produksjonen av harde materialer, og drar nytte av visse elementers evne til å adsorbere og selvorganisere på en overflate.
*'''Elektroforetisk deposisjon'''
Denne metoden baserer seg på at ladde partikler selvorganiserer under påvirkning av et elektrisk felt. Ladde nanopartikler blandes i en suspensjon, og ved å sette på et eksternt elektrisk felt vil disse migrere til og feste seg på elektroden.
*'''Lag på lag metoden'''
Dette er en enkel metode for å produsere tynne filmer, gjerne med alternerende organisk-uorganisk fase. Et ladd substrat dyppes annenhver gang i motsatt ladde løsninger av polyelektrolytter.
*'''Templat inhibering'''

=== Anvendte teknikker ===
Noen av ovennevnte fabrikasjonsmetoder innebærer bruken av teknikker som krever en kort forklaring:

*'''Dip coating: Dypp-belegging'''
[[Bilde:Dip coating.gif|left|thumb|300px|De tre trinnene i dypp-beleggingsprosessen]]
Som det fremkommer av navnet beskriver dette en metode for å belegge noe med et tynt lag av noe annet. Vanligvis deles prosessen inn i fire deler: Først senkes gjenstanden som skal belegges ned i et beleggingsmateriale med konstant hastighet. Deretter lar man gjenstanden hvile i løsningen av beleggingsmateriale, slik at det skal få tid til å feste seg på overflaten. Etter en gitt tid trekkes gjenstanden opp igjen av løsningen, fortsatt med konstant hastighet for å unngå ujevnheter i filmen som blir lagt igjen på overflaten. Til slutt må filmen tørkes, slik at kun materialet som filmen skal bestå av er igjen på overflaten. Dette skjer oftest ved at løsning fordamper.
Det som i hovedsak bestemmer tykkelsen på filmen er hastigheten gjenstanden blir trukket opp igjen fra løsningen med. Jo høyere hastighet, jo tykkere film.

*'''Spin coating: Rotasjonsbelegging'''
[[Bilde:spincoat.jpg|right|thumb|300px|Prosessen i spin-coating og en representasjon av tykkelsen på laget som følge av rotasjonshastighet]]
Dette beskriver en annen teknikk for å belegge noe med en tynn film. Rotasjonsbelegging består i hovedsak av tre trinn: Påføring, rotasjon og tørking. Først dryppes eller sprayes beleggingsmaterialet, i flytende form, på sentrum av overflaten av gjenstanden som skal belegges. Belegget påføres i overflod i forhold til hva som blir igjen ved slutten av prosessen. Deretter settes gjenstanden inn i en maskin som kan rotere med høy hastighet. Når maskinen roterer vil belegget spres som følger av sentrifugalkraften, og til slutt renne over kanten av overflaten. Hastigheten bestemmer man selv, og avhenger av hvor tykk filmen skal være, og hva slags materiale den består av. Jo høyere vinkelhastighet, jo tynnere film. Vanligvis er løsningen volatil, og fordamper samtidig som gjenstanden roteres. Dette gjør at konsentrasjonen av løsningen også spiller inn på tykkelsen av filmen, der høy konsentrasjon gir en tykkere film enn lav konsentrasjon.
Andre faktorer som spiller inn på tykkelsen og egenskapene til filmen er: Akselerasjon til endelig rotasjonshastighet, rotasjonstid, viskositet til beleggingsvesken, fordampningshastighet, overflatespenning, temperatur, luftfuktighet osv.

*'''Sonication: Lydbehandling'''
Lydbehandling består i å tilføre energi til en prøve ved bruk av lydbølger, vanligvis ultralyd. Den høyfrekvente lyden blir generert elektronisk, og tilføres videre som mekanisk energi til prøven via en metallprobe som oscillerer med høy frekvens. Et såkalt ultralydbad kan også brukes. Når partiklene får høyere energi vil de bevege seg mer, og dette kan utnyttes på flere måter. Intermolekylære bånd kan brytes, noe som kan brukes til å løse opp og blande stoffer svært raskt. Energien tilført kan også utnyttes for å få en kjemisk reaksjon til å gå, til å fjerne oppløst gass fra en væske eller til å starte en krystalliseringsprosess. Innen biologi kan lydbehandling brukes til å ødelegge cellemembraner, for så å frigjøre det som befinner seg inne i cellen. Et mer populært bruksområde er rengjøring, fordi lydbehandling kan brukes til å løsne partikler fra en overflate. Denne typen rengjøring blir ofte brukt på briller og smykker.

=== Fremgangsmåte ===
Flere materialer har blitt prøvd ut for å lage lignende polymerfilmer, men her skal vi se på produksjonen av en film satt sammen av aluminiumsplater og kitosan. Kitosan er en biopolymer som produseres fra råstoffet kitin, som man i Norge hovedsakelig utvinner fra rekeskall.

Hovedidéen bak produksjonsprosessen er at man skal legge aluminiumsplater og kitosan lagvis oppå hverandre, inntil man oppnår en film med en tykkelse på mindre enn noen titalls mikrometer. Hvert lag må altså være svært tynt, og aluminiumsplatene må ikke ligge klumpet oppå hverandre.

[[Bilde:produksjon.jpg|left|thumb|200px|Skjematisk tegning av silankjeder av typen aminopropyltriethoxysilane, ATES, festet til overflaten av en aluminiumsplate]]
På grunn av sin lave størrelse kan aluminiumsplatene ses på som kolloidale partikler, og har evnen til å adsorbere på overflaten mellom luft og vann. Det blir utnyttet her. For å lette adsorpsjonen blir først noe hydrofobe silankjeder (aminopropyltriethoxysilane, ATES) festet på den ene siden av aluminiumsplatene. En silankjede kan ses på som ekvivalent til et alkan, der karbonet er byttet ut med silisium. Festeprosessen blir gjort ved å tilsette plater i en løsning av ATES, løsningen lydbehandles så i fem minutter og blandes i 30 min ved 40graderC. Platene blir så vasket med etanol ved hjelp av sentrifugering. Silankjedene som festes på aluminiumsplatene har en aminogruppe på enden, som senere er ment å danne hydrogenbånd med oksygenet i kitosan.

For å danne en tett og homogen langmuirfilm av plater på vannoverflaten lages først en suspensjon av plater i etanol. Suspensjonen består av 1 vol% plater. Denne løsningen blir så dryppet på en vannoverflate, og videre behandlet i 15-30 min med lydbehandling. I løpet av lydbehandlingen dannes også elektriske dobbeltlag mellom de likt ladde aluminiumsplatene, og frastøtningskreftene mellom dem bidrar til bedre struktur i monolaget.

Monolaget blir så overført til en glassplate ved bruk av dypp-belegging og tørking ved 50graderC. Neste steg er å belegge dette igjen med et tynt lag av kitosan, noe som blir gjort ved rotasjonsbelegging. Beleggingsløsningen blir laget ved å la kitosan ligge i en 0,34 M løsning av eddiksyre i minst 24 timer. Eddiksyren er ment å protonere kitosan makromolekylene og amingruppene på enden av silankjedene, for å lette dannelsen av hydrogenbond mellom den organiske og uorganiske fasen. Rotasjon utføres i 40 sekunder med en hastighet på 2000 rpm, hvorpå kitosanlaget tørkes ved 50graderC. Tykkelsen av polymerlaget kan bestemmes ved å endre konsentrasjonen av kitosan i beleggingsløsningen.

Disse trinnene blir så gjentatt inntil ønsket tykkelse på filmen er oppnådd, noe som vanligvis tilsvarer mellom 8 og 10 lag av plater. Når filmen er ferdig fjernes den fra glassplaten med et barberblad.
 

==Andre prosjekter på området==
Ved University of California bruker man en annen innfallsvinkel og bruker kunnskapen om skjellenes holdbarhet til å lage sterkere metallegeringer. Man legger lagvis tynne plater av Titan og Aluminium oppå hverandre på samme måte som krittplatene i skjellet, adskilt av en myk Titan-legering, som tar rollen som det myke vevet rundt platene. Mange produsenter innen spesielt flybransjen ser på dette som en god erstatning for materialet som i dag brukes i flykroppen, siden det gir et mye sterkere materiale per vekt enn i dagens fly. Materialet i seg selv er sterkere enn murstein, og den største fordelen er at eventuelle sprekkdannelser sprer seg i materialet heller enn at materialet knekker på et bestemt sted. Disse egenskapene gjør at materialet også kunne brukes som lett pansring i militære sammenhenger.

==Applikasjoner==
* Biologiske eller syntetiske nacre-lignende materialer har evnen til å integrere seg i benstrukturer, og kan dermed brukes innen biomedisin, spesielt innen ortopedi og tannbehandling.
* Applikasjoner for sterke polymerer; Mer bruk av polymerer som erstatning for korroderende metaller i bygninger, fly, biler, båter etc., forbruksvarer (strikken som aldri ryker)
* Lettere og mer holdbare keramer

 

==Relevans for nanoteknologer==
* Mikro- og nanostrukturen i materialer kan ha MYE å si for dets fysiske, makroskopiske egenskaper.
* Ved å bruke materialer med forskjellige egenskaper i forskjellige "blandingsforhold" kan man lage materialer som ikke bare tar med seg det beste fra disse materialene, men også øker ytelsen ifht bestanddelene.
* viktig å la seg inspirere av naturens nanostrukturer, men samtidig også slippe seg løs og finne nye materialer og løsninger som er bedre egnet enn det naturen kan få til.
* Kanskje har også naturen enda mer å gå på evolusjonsmessig; det lønner seg å utforske forskjellige variasjoner av oppbygningen.
* Naturen har en viktig fordel; kan vha DNA og RNA å bygge mikro- og nanostrukturer med en utrolig nøyaktighet og nærmest uten feil.
* Man kan lære av tankegangen i dette forsøket; i stedet for å lage mer holdbare keramer, som er formålet med skjellenes oppbygning, bruker man det man har lært fra skjellene til å lage sterkere polymerer for andre formål. Tenk nytt!
* Holdbarheten til abalonskjellet er lett å merke når man undersøker det makroskopisk. Men finnes det små organismer som er vanskelig å undersøke makroskopisk, som har enda bedre nanostruktur?

== Konklusjon ==
[[Bilde:seashells.gif|right|thumb|350px|A: Tverrsnitt som viser strukturen av et rødt California Abalone skjell. B: SEM bilde av grensesnittet mellom kalsitt og nacre i et Trochus Niloticus skjell. C: Kunstig farget SEM bilde av en lag på lag spiralstruktur i T. Niloticus nacre. D: Venstre: AFM bilde av nanopartikler på overflaten av en separat nacre-plate fra et rødt California Abalone skjell. Høyre: Skjematisk fremstilling av hvordan nanopartiklene roteres ved en påført kraft]]
Forskning på naturens sterke materialer har pågått i flere tiår allerede. Vi har funnet mange eksempler på plateforsterkede materialer, spesielt i diverse skjell, ben og tenner, og flere forsøk har blitt gjort på å fabrikkere lignende strukturer. Likevel har vi langt igjen for å kunne måle oss med naturens unike konstruksjonsferdigheter. Ikke bare har vi vanskeligheter med selve produksjonsprosessen, men vi har også en begrenset forståelse av den komplekse og hierarkiske strukturen som finnes i naturens materialer. Når det gjelder plateforsterkede polymerfilmer har vi klart å lage en lignende struktur av plater organisert i en polymermatrise, men det finnes andre aspekter og høyere ordens strukturelementer vi enda ikke har utforsket. Eksempler hentet fra strukturen i forskjellige skjell er vist i figuren til høyre.
Vi har likevel en stor fordel i forhold til naturen, fordi vi kan velge mellom mange flere konstruksjonsmaterialer. Med dagens halvgode produksjonsmetoder klarer vi allerede å konstruere plateforsterkede polymerfilmer med like gode egenskaper som i naturen på visse områder. Ved videre forståelse av biomaterialer og utvikling av produksjonsmetoder kan man se for seg muligheten for produksjon av helt eksepsjonelle komposittmaterialer en gang i framtiden, som overskrider naturen på alle områder.

== Kilder ==

[1] http://hal.archives-ouvertes.fr/docs/00/09/20/27/PDF/Bourrat-BioMin-2005.pdf 
[2] http://www.biophysik.uni-bremen.de/fritz/research.html 
http://nysgjerrigper.no/Artikler/2005/april/med-naturen-som-fasit 
http://arjournals.annualreviews.org/doi/full/10.1146/annurev.physchem.51.1.601?amp;searchHistoryKey=${searchHistoryKey}&cookieSet=1 
http://www.sciencemag.org/cgi/reprint/318/5847/80.pdf 
http://www.sciencemag.org/cgi/data/319/5866/1069/DC1/1 
Bioinspired Design and Assembly of Platelet Reinforced Polymer Films, Lorenz J. Bonderer, et al. Science 319, 1069 (2008); DOI: 10.1126/science.1148726
http://www.sciencemag.org/cgi/content/full/sci;319/5866/1053#ref4 
http://www.clean.cise.columbia.edu//process/spintheory.pdf 
http://en.wikipedia.org/wiki/Spin_coating 
http://en.wikipedia.org/wiki/Sonication 
http://en.wikipedia.org/wiki/Cell_disruption 
http://rsta.royalsocietypublishing.org/content/367/1893/1587.full 
http://www.nanowerk.com/spotlight/spotid=2131.php 
http://www.nytimes.com/2005/03/22/science/22abal.html 
http://www.postech.ac.kr/ ce/lamp/research3-3.html 
(Den spirituelle digresjonen):"http://www.althelse.com/steiner-&-krystaller/1228-abalone.html?showall=1"

Bioinspirert design og sammensetting av plateforsterkede polymerfilmer

2009-03-23T12:09:14Z

Eirikgje: /* Kilder */

== Innledning ==
[[Bilde:fuflogfly.jpg|right|thumb|350px|NASA har utviklet et fly som kan endre form og lengde på vingene for minst mulig motstand og turbulens under flygingen, og som kan splitte opp vingespissene ved landing. Designet er inspirert av hvithodehavørnen, vist til vesntre.]]
Naturen har gjennom millioner av år med evolusjon utviklet sofistikerte og effektive materialer til forskjellige formål. Vi mennesker har kun eksistert en brøkdel av denne tidsperioden, og på tross av at vi er en av de dyktigste livsformene hva gjelder utvikling av forskjellige redskaper, har vi fortsatt mye å lære av andre organismer. I naturen finnes hundrevis av eksempler på fremgangsmåter, kamuflasje og smarte materialer, som vi bare såvidt har begynt å utforske. Noen eksempler er fly konstruert etter inspirasjon fra fuglers flyteknikk, svømmedrakter designet på samme måte som haihud, og en kamuflasjegel som reflekterer lyset fra omgivelsene, inspirert av blekksprutens evne til å skifte farge.

== Inspirasjon ==
Så og si alle biologiske komposittmaterialer har spesifikke strukturegenskaper på alle lengdeskalaer, fra molekylær, via nanoskopisk og mikroskopisk, til makroskopisk. Innen nanoteknologi er det spesielt interessant å utforske hvordan naturen har utviklet materialer på mikro- og nanoskala for å få dem best mulig egnet til deres bruk.

Mange organismer har bruk for harde og slitesterke materialer. For mennesker og andre dyr er det viktig å ha sterke tenner og skjelett, for mindre organismer er det viktig med harde skall for å beskytte de bløte delene. Et eksempel på dette er forskjellige skjell, som bygger skallet sitt ved hjelp av nanostrukturerte aragonitt(CaC03, kanskje bedre kjent som kritt)-plater omgitt av lag med elastiske biopolymerer som kitin, lustrin og andre proteiner. Denne oppbygningen av materialet gjør det 3000 ganger sterkere enn rent aragonitt, og det er denne enorme forskjellen som gjør at forskere i lang tid har prøvd å lære mer om oppbygningen. Håpet må være at vi innen en stadig minkende tidshorisont kan bruke denne kunnskapen til å masseprodusere sterkere og lettere stoffer enn tidligere.

== Utfordring ved bruk av nanobyggestener ==
Nanobyggestener er hver for seg tilnærmet ideelle materialer, med høy strekkstyrke og Young's modulus. Dessverre er det ikke slik at man kan hive sammen en haug av nanopartikler, og oppnå et materiale i bulk med egenskaper lik summen av partiklene det er satt sammen av. Det har vist seg at polymerer styrket med nanomaterialer har langt dårligere egenskaper enn de enkelte byggestenene hver for seg. Unntaket er hvis volumprosenten av det styrkende nanomaterialet er lav. Dette kan antakeligvis forklares ved viktigheten av struktur i komposittmaterialet. Hvis man bruker en høy volumprosent av nanopartikler er det vanskelig å kontrollere strukturen, spesielt fordi partiklene har en tendens til å aggregere og danne bulk materiale. Det er ønskelig at nanoelementene i komposittmaterialet rangerer seg på en ordnet måte, uten å klumpe seg sammen, da dette maksimerer kontaktflaten mellom nanopartikler og polymer.

En annen utfordring er selve produksjonen. Det er svært vanskelig å kontrollere oppførselen til et materiale på nanoskala. Det finnes muligheter for å plassere en og en partikkel f.eks med en AFM spiss, men hvis produksjon skal foregå på litt større skala må man ty til selvorganisering. For å oppnå ønsket resultat ved selvorganisering trengs inngående kunnskap om nanomaterialets fysiske og kjemiske egenskaper.

== Oppbygningen av skjellet ==
[[Bilde:nacreAFMPC.jpg|left|thumb|250px|Oppbygningen av Abalonskjellet, med polygonformede biokrystaller omggitt av proteiner. Bilde tatt med AFM og fasekontrast. [1]]]

''Haliotis Rufescens'' (Rød Abalon, Regnbuestein) er en av de sterkeste skjellene hva gjelder fysiske egenskaper. Innsiden har et regnbuefarget utseende, litt på samme måten som en CD, og denne likheten er det første indisiet på at vi har med en mikro- eller nanostruktur å gjøre. Allerede i 1955 kunne ''Grégoire et al.'' bevise at skjellene består av plater med organiske forbindelser, og ''Weiner'' kunne i 1986 fastslå at det dreide seg om plater på ca. ~5 µm i diameter, og med en tykkelse på 0.5µm, omgitt av et biopolymer. Ved å studere skjellet med AFM, SEM og TEM, har man med tiden kartlagt oppbygningen til materialet; skjellene består polygoniske biomineraler av aragonitt/kritt(CaCO3) separert av tynne (~45nm) lag med elastiske, organiske polymer-lignende proteiner, slik at strukturen på nano-skala ligner makroskopiske murvegger, med krystallene som "mursteiner" og proteinene som "sement". Det finnes to forskjellige strukturformer i skjellene; kolonne- og trappeform.
[[Bilde:nacreSEMcross.jpg|right|thumb|250px|Tversnitt av Abalonskjellet, tatt med SEM. [2]]]
Kolonneform betyr at sentrum av hver krystallplate ligger omtrent rett over sentrum av plata under. Når sentrum i hver plate ligger omtrent over skjøten mellom de underliggende platene, omtrent på samme måte som i murvegger, kalles dette trappeform. Det som fascinerer mest med denne oppbygningen er at hovedbestanddelen (95%) av materialet er kritt, et av naturens mest skjøre materialer (tenk tavlekritt, eggeskall etc). Oppbygningen i skjellene gjør at materialet tåler 3000 ganger så mye som aragonitt i vanlig bulk-form. Den samme strukturen finnes blant annet i ben hos alle større dyr, som hos mennesket. Vår benbygning består på samme måte av plater med mineralet kalsium- hydroksyapatitt, omgitt av et mykere vev av kollagen. Den viktigste forskjellen mellom skjellene og vår benbygning er likevel at våre ben består av relativt sett mindre mineraler i forhold til det mykere biopolymeret (~95% for skjellene og ~45% i vår benbygning). Dette gjør at mens skjellene er hardere enn vår benbygning, tåler vi mer støt, strekk og bøying før materialet gir etter.

(En liten digresjon for de spirituelle (fra Alternativ Helse): "Abalon er god for kjærlighet, romantikk, god mat, og kreativitet (spesielt lyrikk og musikk) (...) Beskytter mot negative energier, spesielt sinne, depresjon, frykt, og tristhet. (...) fører til inspirasjon og kreativitet, spesielt innen skriving. Denne virkningen er sterkest til skapende skriving, som poesi og lyrikk, men er også fin innen forretning eller skoleskriving.")

== Dimensjoner og materialer ==
Biomimikk går ut på å imitere naturen nøyaktig for å bygge opp materialer med de egenskapene man finner i naturen. Bioinspirasjon derimot, handler om å hente inspirasjon fra naturens mange kilder, for så å utvikle videre et syntetisk materiale med helt spesifikke egenskaper, som kan overskride naturen på flere områder. Vi har mange flere materialer å velge mellom enn naturen, kan variere dimensjoner og strukturer på alle lengdeskalaer, og har dermed mange flere variable å utforske for å oppnå akkurat de egenskapene vi er ute etter. Dette er imidlertid lettere sagt en gjort, konstruksjonen av ben eller skjell lignende strukturer har vist seg å være ekstremt vanskelig, spesielt fordi det er meget utfordrene å finne generelle teknikker som fungerer for forskjellige materialer. Vi skal derfor her ta for oss en spesifikk type polymerfilm.

Før valg av materiale gjelder det å få oversikt over hvilke egenskaper den organiske og den uorganiske fasen bør ha, og hvor stor prosentandel man ideelt sett bør bruke av hver av dem.

Hvis man kjenner til styrken til de forskjellige materialene hver for seg samt volumprosenten av plater, kan man regne ut den totale styrken til hybridmaterialet ved følgende formel:
:<math>\sigma_c = \alpha V_p \sigma_p + (1-V_p)\sigma_m</math>
Der <math>\sigma_c</math> er maksimal strekkstyrke (tensile strength) til materialet, <math>V_p</math> er volumprosenten av plater, <math>\sigma_p</math> og <math>\sigma_m</math> er strekkstyrken til henholdsvis platene og polymermaterialet i matrisen rundt platene. <math>\alpha</math> er en funksjon av s, <math>\tau_y</math> og <math>\sigma_p</math>, der s er forholdet mellom lengde og tykkelse på platene (aspektrate) og <math>\tau_y</math> er flyt skjærstyrken (yield shear stength) til polymermatrisen.

[[Bilde:Brudd copy.jpg|left|thumb|250px|Den øverste figuren viser hvordan filmen vil knekke hvis <math>s>s_c</math>, mens den nederste figuren illustrerer hvordan materialet kan bli styrket hvis <math>s<s_c</math>, og platene er fleksible i polymermatrisen i stedet for å knekke tvert av ved en påført kraft.]]
Uttrykket for <math>\alpha</math> avhenger av s, aspektraten til platene. Hvis s er høyere enn en kritisk verdi <math>s_c</math>, vil hybridmaterialet knekke tvert av ved en viss påført kraft. I dette tilfellet uttrykkes <math>\alpha</math> på følgende måte:
:<math>\alpha = 1-\frac{\sigma_p}{2\tau_y s}</math>

Hvis s derimot er mindre enn den kritiske verdien <math>s_c</math>, vil platene være fleksible i polymermatrisen når en kraft påføres, og det skal mye mer til før materialet går helt i stykker. I dette tilfellet uttrykkes <math>\alpha</math> som følger:
:<math>\alpha = \frac{\tau_y s}{2\sigma_p}</math>

Den ønskelige situasjonen er sistnevnte, der <math>s<s_c</math>. For å oppnå maksimal styrke på alle måter bør s være nært oppunder <math>s_c</math>.

<math>s_c</math> er en funksjon av <math>\sigma_p</math> og <math>\tau_y</math>: <math>s_c = \frac{\sigma_p}{\tau_y}</math>

Naturen har begrenset med materialer å velge mellom. Nacre er for eksempel bygget opp av aragonittplater i et organisk materiale, og <math>s_c</math> befinner seg da et sted mellom 9 og 12,5, noe som er en relativt lav verdi. Aragonitt har en <math>\sigma_p</math> verdi på mellom 360 og 500 MPa, mens syntetiske uorganiske plater kan ha <math>\sigma_p</math> verdier mellom 2 og 5 GPa. Dette gir rom for å bruke plater med en merkbart høyere aspektrate, uten å overskride den kritiske verdien <math>s_c</math>.

Volumprosenten av uorganiske plater har mye å si for filmens egenskaper. For få plater gir et materiale som tåler mye deformering før det ødelegges, men som til gjengjeld er mykt og lite beskyttende. For mange plater gjør materialet hardt og stivt, men da blir det også skjørt og følsomt for sprekker. Hvis volumprosenten er altfor høy vil dessuten ikke platene organisere seg i en ordnet struktur som gir de egenskapene vi er ute etter. Her ønskes et materiale som både er hardt og fleksibelt.

[[Bilde:volumprosent.jpg|center|thumb|800px|Figur A, B og C inneholder henholdsvis 5, 11 og 60 vol% <math>Al_2O_3</math> plater. Man ser at ved 60 vol% blir strukturen uordnet og hullete, mens platene beholder sin struktur for vol% lavere enn 20. Lengdeskalaen på bildene er henholdsvis 10, 5 og 2µm.]]

[[Bilde:stress vs strain.jpg|right|thumb|300px|Denne figuren viser hvordan komposittmaterialet tåler mer og mer påført kraft før det deformeres ettersom volumprosenten av plater økes fra null og opp imot 20]]
Bonderer ''et al.'' (ref: bioinspired artikkelen) valgte å lage en forsterket polymerfilm med 15 vol% aluminiumoksidplater i en matrise av kitosan. Aluminiumsplatene har en estimert strekkstyrke <math>\sigma_p</math> på 2 GPa (der aragonitt til sammenligning har en strekkstyrke mellom 360 og 500 MPa), og kitosan har en flyt skjærstyrke på ca 40MPa. Dette gir en kritisk verdi <math>s_c</math> på omtrent 50, noe som er mye høyere enn hva man finner i skjellstrukturer i naturen (<math>9<s_c<12,5</math> for nacre). Man kan dermed øke aspektraten (s) og fortsatt beholde en fleksibel oppførsel ved påført kraft, noe som gjør at materialet tåler mer. I dette eksempelet valgte forskerne en aspektrate på 40, og plater med en tykkelse på ca 200nm. Tykkelsen er på samme nivå som platene funnet i nacre, men i og med at aspektraten er høyere kan platene være lengre, og dette øker effektiviteten av kraftskifting (load transfer) til de uorganiske platene. Volumprosenten ble satt til 15 på grunnlag av observasjonene vist i figur___, der man ser at volumprosenter over 20 gir materialet en hullete og dårlig struktur. I tillegg ble dette valget basert på observasjoner av hvor mye materialet deformeres som følger av påført kraft, som vist i figur__.

Podsiadlo og hans kolleger har prøvd seg med montmorillonitt (MTM) leirplater i en matrise av polyvinylalkohol (PVA). De har fokusert på kjemien i grensesnittet mellom platene og polymermatrisen for å maksimere kraftoverføring til den sterkere uorganiske fasen.

== Produksjon ==
=== Metoder ===
Som nevnt tidligere finnes det ingen enkel og generell oppskrift på hvordan man kan produsere disse harde og sterke materialene. Ethvert materiale har spesifikke egenskaper, og det er ofte åpent for å anvende en ny teknikk som kun fungerer for et gitt materiale. Etter mye forskning, prøving og feiling, har man likevel kommet fram til noen fabrikasjonsmetoder som er mer generelle enn andre. Disse kan deles opp i følgende fire kategorier:
*'''Selvorganisering og "bottom up"'''
Denne metoden er nyttig i produksjonen av harde materialer, og drar nytte av visse elementers evne til å adsorbere og selvorganisere på en overflate.
*'''Elektroforetisk deposisjon'''
Denne metoden baserer seg på at ladde partikler selvorganiserer under påvirkning av et elektrisk felt. Ladde nanopartikler blandes i en suspensjon, og ved å sette på et eksternt elektrisk felt vil disse migrere til og feste seg på elektroden.
*'''Lag på lag metoden'''
Dette er en enkel metode for å produsere tynne filmer, gjerne med alternerende organisk-uorganisk fase. Et ladd substrat dyppes annenhver gang i motsatt ladde løsninger av polyelektrolytter.
*'''Templat inhibering'''

=== Anvendte teknikker ===
Noen av ovennevnte fabrikasjonsmetoder innebærer bruken av teknikker som krever en kort forklaring:

*'''Dip coating: Dypp-belegging'''
[[Bilde:Dip coating.gif|left|thumb|300px|De tre trinnene i dypp-beleggingsprosessen]]
Som det fremkommer av navnet beskriver dette en metode for å belegge noe med et tynt lag av noe annet. Vanligvis deles prosessen inn i fire deler: Først senkes gjenstanden som skal belegges ned i et beleggingsmateriale med konstant hastighet. Deretter lar man gjenstanden hvile i løsningen av beleggingsmateriale, slik at det skal få tid til å feste seg på overflaten. Etter en gitt tid trekkes gjenstanden opp igjen av løsningen, fortsatt med konstant hastighet for å unngå ujevnheter i filmen som blir lagt igjen på overflaten. Til slutt må filmen tørkes, slik at kun materialet som filmen skal bestå av er igjen på overflaten. Dette skjer oftest ved at løsning fordamper.
Det som i hovedsak bestemmer tykkelsen på filmen er hastigheten gjenstanden blir trukket opp igjen fra løsningen med. Jo høyere hastighet, jo tykkere film.

*'''Spin coating: Rotasjonsbelegging'''
[[Bilde:spincoat.jpg|right|thumb|300px|Prosessen i spin-coating og en representasjon av tykkelsen på laget som følge av rotasjonshastighet]]
Dette beskriver en annen teknikk for å belegge noe med en tynn film. Rotasjonsbelegging består i hovedsak av tre trinn: Påføring, rotasjon og tørking. Først dryppes eller sprayes beleggingsmaterialet, i flytende form, på sentrum av overflaten av gjenstanden som skal belegges. Belegget påføres i overflod i forhold til hva som blir igjen ved slutten av prosessen. Deretter settes gjenstanden inn i en maskin som kan rotere med høy hastighet. Når maskinen roterer vil belegget spres som følger av sentrifugalkraften, og til slutt renne over kanten av overflaten. Hastigheten bestemmer man selv, og avhenger av hvor tykk filmen skal være, og hva slags materiale den består av. Jo høyere vinkelhastighet, jo tynnere film. Vanligvis er løsningen volatil, og fordamper samtidig som gjenstanden roteres. Dette gjør at konsentrasjonen av løsningen også spiller inn på tykkelsen av filmen, der høy konsentrasjon gir en tykkere film enn lav konsentrasjon.
Andre faktorer som spiller inn på tykkelsen og egenskapene til filmen er: Akselerasjon til endelig rotasjonshastighet, rotasjonstid, viskositet til beleggingsvesken, fordampningshastighet, overflatespenning, temperatur, luftfuktighet osv.

*'''Sonication: Lydbehandling'''
Lydbehandling består i å tilføre energi til en prøve ved bruk av lydbølger, vanligvis ultralyd. Den høyfrekvente lyden blir generert elektronisk, og tilføres videre som mekanisk energi til prøven via en metallprobe som oscillerer med høy frekvens. Et såkalt ultralydbad kan også brukes. Når partiklene får høyere energi vil de bevege seg mer, og dette kan utnyttes på flere måter. Intermolekylære bånd kan brytes, noe som kan brukes til å løse opp og blande stoffer svært raskt. Energien tilført kan også utnyttes for å få en kjemisk reaksjon til å gå, til å fjerne oppløst gass fra en væske eller til å starte en krystalliseringsprosess. Innen biologi kan lydbehandling brukes til å ødelegge cellemembraner, for så å frigjøre det som befinner seg inne i cellen. Et mer populært bruksområde er rengjøring, fordi lydbehandling kan brukes til å løsne partikler fra en overflate. Denne typen rengjøring blir ofte brukt på briller og smykker.

=== Fremgangsmåte ===
Flere materialer har blitt prøvd ut for å lage lignende polymerfilmer, men her skal vi se på produksjonen av en film satt sammen av aluminiumsplater og kitosan. Kitosan er en biopolymer som produseres fra råstoffet kitin, som man i Norge hovedsakelig utvinner fra rekeskall.

Hovedidéen bak produksjonsprosessen er at man skal legge aluminiumsplater og kitosan lagvis oppå hverandre, inntil man oppnår en film med en tykkelse på mindre enn noen titalls mikrometer. Hvert lag må altså være svært tynt, og aluminiumsplatene må ikke ligge klumpet oppå hverandre.

[[Bilde:produksjon.jpg|left|thumb|200px|Skjematisk tegning av silankjeder av typen aminopropyltriethoxysilane, ATES, festet til overflaten av en aluminiumsplate]]
På grunn av sin lave størrelse kan aluminiumsplatene ses på som kolloidale partikler, og har evnen til å adsorbere på overflaten mellom luft og vann. Det blir utnyttet her. For å lette adsorpsjonen blir først noe hydrofobe silankjeder (aminopropyltriethoxysilane, ATES) festet på den ene siden av aluminiumsplatene. En silankjede kan ses på som ekvivalent til et alkan, der karbonet er byttet ut med silisium. Festeprosessen blir gjort ved å tilsette plater i en løsning av ATES, løsningen lydbehandles så i fem minutter og blandes i 30 min ved 40graderC. Platene blir så vasket med etanol ved hjelp av sentrifugering. Silankjedene som festes på aluminiumsplatene har en aminogruppe på enden, som senere er ment å danne hydrogenbånd med oksygenet i kitosan.

For å danne en tett og homogen langmuirfilm av plater på vannoverflaten lages først en suspensjon av plater i etanol. Suspensjonen består av 1 vol% plater. Denne løsningen blir så dryppet på en vannoverflate, og videre behandlet i 15-30 min med lydbehandling. I løpet av lydbehandlingen dannes også elektriske dobbeltlag mellom de likt ladde aluminiumsplatene, og frastøtningskreftene mellom dem bidrar til bedre struktur i monolaget.

Monolaget blir så overført til en glassplate ved bruk av dypp-belegging og tørking ved 50graderC. Neste steg er å belegge dette igjen med et tynt lag av kitosan, noe som blir gjort ved rotasjonsbelegging. Beleggingsløsningen blir laget ved å la kitosan ligge i en 0,34 M løsning av eddiksyre i minst 24 timer. Eddiksyren er ment å protonere kitosan makromolekylene og amingruppene på enden av silankjedene, for å lette dannelsen av hydrogenbond mellom den organiske og uorganiske fasen. Rotasjon utføres i 40 sekunder med en hastighet på 2000 rpm, hvorpå kitosanlaget tørkes ved 50graderC. Tykkelsen av polymerlaget kan bestemmes ved å endre konsentrasjonen av kitosan i beleggingsløsningen.

Disse trinnene blir så gjentatt inntil ønsket tykkelse på filmen er oppnådd, noe som vanligvis tilsvarer mellom 8 og 10 lag av plater. Når filmen er ferdig fjernes den fra glassplaten med et barberblad.
 

==Andre prosjekter på området==
Ved University of California bruker man en annen innfallsvinkel og bruker kunnskapen om skjellenes holdbarhet til å lage sterkere metallegeringer. Man legger lagvis tynne plater av Titan og Aluminium oppå hverandre på samme måte som krittplatene i skjellet, adskilt av en myk Titan-legering, som tar rollen som det myke vevet rundt platene. Mange produsenter innen spesielt flybransjen ser på dette som en god erstatning for materialet som i dag brukes i flykroppen, siden det gir et mye sterkere materiale per vekt enn i dagens fly. Materialet i seg selv er sterkere enn murstein, og den største fordelen er at eventuelle sprekkdannelser sprer seg i materialet heller enn at materialet knekker på et bestemt sted. Disse egenskapene gjør at materialet også kunne brukes som lett pansring i militære sammenhenger.

==Applikasjoner==
* Biologiske eller syntetiske nacre-lignende materialer har evnen til å integrere seg i benstrukturer, og kan dermed brukes innen biomedisin, spesielt innen ortopedi og tannbehandling.
* Applikasjoner for sterke polymerer; Mer bruk av polymerer som erstatning for korroderende metaller i bygninger, fly, biler, båter etc., forbruksvarer (strikken som aldri ryker)
* Lettere og mer holdbare keramer

 

==Relevans for nanoteknologer==
* Mikro- og nanostrukturen i materialer kan ha MYE å si for dets fysiske, makroskopiske egenskaper.
* Ved å bruke materialer med forskjellige egenskaper i forskjellige "blandingsforhold" kan man lage materialer som ikke bare tar med seg det beste fra disse materialene, men også øker ytelsen ifht bestanddelene.
* viktig å la seg inspirere av naturens nanostrukturer, men samtidig også slippe seg løs og finne nye materialer og løsninger som er bedre egnet enn det naturen kan få til.
* Kanskje har også naturen enda mer å gå på evolusjonsmessig; det lønner seg å utforske forskjellige variasjoner av oppbygningen.
* Naturen har en viktig fordel; kan vha DNA og RNA å bygge mikro- og nanostrukturer med en utrolig nøyaktighet og nærmest uten feil.
* Man kan lære av tankegangen i dette forsøket; i stedet for å lage mer holdbare keramer, som er formålet med skjellenes oppbygning, bruker man det man har lært fra skjellene til å lage sterkere polymerer for andre formål. Tenk nytt!
* Holdbarheten til abalonskjellet er lett å merke når man undersøker det makroskopisk. Men finnes det små organismer som er vanskelig å undersøke makroskopisk, som har enda bedre nanostruktur?

== Konklusjon ==
Forskning på naturens sterke materialer har pågått i flere tiår allerede. Vi har funnet mange eksempler på plateforsterkede materialer, spesielt i diverse skjell, ben og tenner, og flere forsøk har blitt gjort på å fabrikkere lignende strukturer. Likevel har vi langt igjen for å kunne måle oss med naturens unike konstruksjonsferdigheter. Ikke bare har vi vanskeligheter med selve produksjonsprosessen, men vi har også en begrenset forståelse av den komplekse og hierarkiske strukturen som finnes i naturens materialer. Når det gjelder plateforsterkede polymerfilmer har vi klart å lage en lignende struktur av plater organisert i en polymermatrise, men det finnes andre aspekter og høyere ordens strukturelementer vi enda ikke har utforsket. Eksempler hentet fra strukturen i forskjellige skjell er vist i figuren under:

[[Bilde:seashells.gif|center|thumb|350px|A: Tverrsnitt som viser strukturen av et rødt California Abalone skjell. B: SEM bilde av grensesnittet mellom kalsitt og nacre i et Trochus Niloticus skjell. C: Kunstig farget SEM bilde av en lag på lag spiralstruktur i T. Niloticus nacre. D: Venstre: AFM bilde av nanopartikler på overflaten av en separat nacre-plate fra et rødt California Abalone skjell. Høyre: Skjematisk fremstilling av hvordan nanopartiklene roteres ved en påført kraft]]

Vi har likevel en stor fordel i forhold til naturen, fordi vi kan velge mellom mange flere konstruksjonsmaterialer. Med dagens halvgode produksjonsmetoder klarer vi allerede å konstruere plateforsterkede polymerfilmer med like gode egenskaper som i naturen på visse områder. Ved videre forståelse av biomaterialer og utvikling av produksjonsmetoder kan man se for seg muligheten for produksjon av helt eksepsjonelle komposittmaterialer en gang i framtiden, som overskrider naturen på alle områder.

== Kilder ==

[1] http://hal.archives-ouvertes.fr/docs/00/09/20/27/PDF/Bourrat-BioMin-2005.pdf 
[2] http://www.biophysik.uni-bremen.de/fritz/research.html 
http://nysgjerrigper.no/Artikler/2005/april/med-naturen-som-fasit 
http://arjournals.annualreviews.org/doi/full/10.1146/annurev.physchem.51.1.601?amp;searchHistoryKey=${searchHistoryKey}&cookieSet=1 
http://www.sciencemag.org/cgi/reprint/318/5847/80.pdf 
http://www.sciencemag.org/cgi/data/319/5866/1069/DC1/1 
Bioinspired Design and Assembly of Platelet Reinforced Polymer Films, Lorenz J. Bonderer, et al. Science 319, 1069 (2008); DOI: 10.1126/science.1148726
http://www.sciencemag.org/cgi/content/full/sci;319/5866/1053#ref4 
http://www.clean.cise.columbia.edu//process/spintheory.pdf 
http://en.wikipedia.org/wiki/Spin_coating 
http://en.wikipedia.org/wiki/Sonication 
http://en.wikipedia.org/wiki/Cell_disruption 
http://rsta.royalsocietypublishing.org/content/367/1893/1587.full 
http://www.nanowerk.com/spotlight/spotid=2131.php 
http://www.nytimes.com/2005/03/22/science/22abal.html 
(Den spirituelle digresjonen):"http://www.althelse.com/steiner-&-krystaller/1228-abalone.html?showall=1"

Bioinspirert design og sammensetting av plateforsterkede polymerfilmer

2009-03-23T12:08:33Z

Eirikgje: /* Oppbygningen av skjellet */

== Innledning ==
[[Bilde:fuflogfly.jpg|right|thumb|350px|NASA har utviklet et fly som kan endre form og lengde på vingene for minst mulig motstand og turbulens under flygingen, og som kan splitte opp vingespissene ved landing. Designet er inspirert av hvithodehavørnen, vist til vesntre.]]
Naturen har gjennom millioner av år med evolusjon utviklet sofistikerte og effektive materialer til forskjellige formål. Vi mennesker har kun eksistert en brøkdel av denne tidsperioden, og på tross av at vi er en av de dyktigste livsformene hva gjelder utvikling av forskjellige redskaper, har vi fortsatt mye å lære av andre organismer. I naturen finnes hundrevis av eksempler på fremgangsmåter, kamuflasje og smarte materialer, som vi bare såvidt har begynt å utforske. Noen eksempler er fly konstruert etter inspirasjon fra fuglers flyteknikk, svømmedrakter designet på samme måte som haihud, og en kamuflasjegel som reflekterer lyset fra omgivelsene, inspirert av blekksprutens evne til å skifte farge.

== Inspirasjon ==
Så og si alle biologiske komposittmaterialer har spesifikke strukturegenskaper på alle lengdeskalaer, fra molekylær, via nanoskopisk og mikroskopisk, til makroskopisk. Innen nanoteknologi er det spesielt interessant å utforske hvordan naturen har utviklet materialer på mikro- og nanoskala for å få dem best mulig egnet til deres bruk.

Mange organismer har bruk for harde og slitesterke materialer. For mennesker og andre dyr er det viktig å ha sterke tenner og skjelett, for mindre organismer er det viktig med harde skall for å beskytte de bløte delene. Et eksempel på dette er forskjellige skjell, som bygger skallet sitt ved hjelp av nanostrukturerte aragonitt(CaC03, kanskje bedre kjent som kritt)-plater omgitt av lag med elastiske biopolymerer som kitin, lustrin og andre proteiner. Denne oppbygningen av materialet gjør det 3000 ganger sterkere enn rent aragonitt, og det er denne enorme forskjellen som gjør at forskere i lang tid har prøvd å lære mer om oppbygningen. Håpet må være at vi innen en stadig minkende tidshorisont kan bruke denne kunnskapen til å masseprodusere sterkere og lettere stoffer enn tidligere.

== Utfordring ved bruk av nanobyggestener ==
Nanobyggestener er hver for seg tilnærmet ideelle materialer, med høy strekkstyrke og Young's modulus. Dessverre er det ikke slik at man kan hive sammen en haug av nanopartikler, og oppnå et materiale i bulk med egenskaper lik summen av partiklene det er satt sammen av. Det har vist seg at polymerer styrket med nanomaterialer har langt dårligere egenskaper enn de enkelte byggestenene hver for seg. Unntaket er hvis volumprosenten av det styrkende nanomaterialet er lav. Dette kan antakeligvis forklares ved viktigheten av struktur i komposittmaterialet. Hvis man bruker en høy volumprosent av nanopartikler er det vanskelig å kontrollere strukturen, spesielt fordi partiklene har en tendens til å aggregere og danne bulk materiale. Det er ønskelig at nanoelementene i komposittmaterialet rangerer seg på en ordnet måte, uten å klumpe seg sammen, da dette maksimerer kontaktflaten mellom nanopartikler og polymer.

En annen utfordring er selve produksjonen. Det er svært vanskelig å kontrollere oppførselen til et materiale på nanoskala. Det finnes muligheter for å plassere en og en partikkel f.eks med en AFM spiss, men hvis produksjon skal foregå på litt større skala må man ty til selvorganisering. For å oppnå ønsket resultat ved selvorganisering trengs inngående kunnskap om nanomaterialets fysiske og kjemiske egenskaper.

== Oppbygningen av skjellet ==
[[Bilde:nacreAFMPC.jpg|left|thumb|250px|Oppbygningen av Abalonskjellet, med polygonformede biokrystaller omggitt av proteiner. Bilde tatt med AFM og fasekontrast. [1]]]

''Haliotis Rufescens'' (Rød Abalon, Regnbuestein) er en av de sterkeste skjellene hva gjelder fysiske egenskaper. Innsiden har et regnbuefarget utseende, litt på samme måten som en CD, og denne likheten er det første indisiet på at vi har med en mikro- eller nanostruktur å gjøre. Allerede i 1955 kunne ''Grégoire et al.'' bevise at skjellene består av plater med organiske forbindelser, og ''Weiner'' kunne i 1986 fastslå at det dreide seg om plater på ca. ~5 µm i diameter, og med en tykkelse på 0.5µm, omgitt av et biopolymer. Ved å studere skjellet med AFM, SEM og TEM, har man med tiden kartlagt oppbygningen til materialet; skjellene består polygoniske biomineraler av aragonitt/kritt(CaCO3) separert av tynne (~45nm) lag med elastiske, organiske polymer-lignende proteiner, slik at strukturen på nano-skala ligner makroskopiske murvegger, med krystallene som "mursteiner" og proteinene som "sement". Det finnes to forskjellige strukturformer i skjellene; kolonne- og trappeform.
[[Bilde:nacreSEMcross.jpg|right|thumb|250px|Tversnitt av Abalonskjellet, tatt med SEM. [2]]]
Kolonneform betyr at sentrum av hver krystallplate ligger omtrent rett over sentrum av plata under. Når sentrum i hver plate ligger omtrent over skjøten mellom de underliggende platene, omtrent på samme måte som i murvegger, kalles dette trappeform. Det som fascinerer mest med denne oppbygningen er at hovedbestanddelen (95%) av materialet er kritt, et av naturens mest skjøre materialer (tenk tavlekritt, eggeskall etc). Oppbygningen i skjellene gjør at materialet tåler 3000 ganger så mye som aragonitt i vanlig bulk-form. Den samme strukturen finnes blant annet i ben hos alle større dyr, som hos mennesket. Vår benbygning består på samme måte av plater med mineralet kalsium- hydroksyapatitt, omgitt av et mykere vev av kollagen. Den viktigste forskjellen mellom skjellene og vår benbygning er likevel at våre ben består av relativt sett mindre mineraler i forhold til det mykere biopolymeret (~95% for skjellene og ~45% i vår benbygning). Dette gjør at mens skjellene er hardere enn vår benbygning, tåler vi mer støt, strekk og bøying før materialet gir etter.

(En liten digresjon for de spirituelle (fra Alternativ Helse): "Abalon er god for kjærlighet, romantikk, god mat, og kreativitet (spesielt lyrikk og musikk) (...) Beskytter mot negative energier, spesielt sinne, depresjon, frykt, og tristhet. (...) fører til inspirasjon og kreativitet, spesielt innen skriving. Denne virkningen er sterkest til skapende skriving, som poesi og lyrikk, men er også fin innen forretning eller skoleskriving.")

== Dimensjoner og materialer ==
Biomimikk går ut på å imitere naturen nøyaktig for å bygge opp materialer med de egenskapene man finner i naturen. Bioinspirasjon derimot, handler om å hente inspirasjon fra naturens mange kilder, for så å utvikle videre et syntetisk materiale med helt spesifikke egenskaper, som kan overskride naturen på flere områder. Vi har mange flere materialer å velge mellom enn naturen, kan variere dimensjoner og strukturer på alle lengdeskalaer, og har dermed mange flere variable å utforske for å oppnå akkurat de egenskapene vi er ute etter. Dette er imidlertid lettere sagt en gjort, konstruksjonen av ben eller skjell lignende strukturer har vist seg å være ekstremt vanskelig, spesielt fordi det er meget utfordrene å finne generelle teknikker som fungerer for forskjellige materialer. Vi skal derfor her ta for oss en spesifikk type polymerfilm.

Før valg av materiale gjelder det å få oversikt over hvilke egenskaper den organiske og den uorganiske fasen bør ha, og hvor stor prosentandel man ideelt sett bør bruke av hver av dem.

Hvis man kjenner til styrken til de forskjellige materialene hver for seg samt volumprosenten av plater, kan man regne ut den totale styrken til hybridmaterialet ved følgende formel:
:<math>\sigma_c = \alpha V_p \sigma_p + (1-V_p)\sigma_m</math>
Der <math>\sigma_c</math> er maksimal strekkstyrke (tensile strength) til materialet, <math>V_p</math> er volumprosenten av plater, <math>\sigma_p</math> og <math>\sigma_m</math> er strekkstyrken til henholdsvis platene og polymermaterialet i matrisen rundt platene. <math>\alpha</math> er en funksjon av s, <math>\tau_y</math> og <math>\sigma_p</math>, der s er forholdet mellom lengde og tykkelse på platene (aspektrate) og <math>\tau_y</math> er flyt skjærstyrken (yield shear stength) til polymermatrisen.

[[Bilde:Brudd copy.jpg|left|thumb|250px|Den øverste figuren viser hvordan filmen vil knekke hvis <math>s>s_c</math>, mens den nederste figuren illustrerer hvordan materialet kan bli styrket hvis <math>s<s_c</math>, og platene er fleksible i polymermatrisen i stedet for å knekke tvert av ved en påført kraft.]]
Uttrykket for <math>\alpha</math> avhenger av s, aspektraten til platene. Hvis s er høyere enn en kritisk verdi <math>s_c</math>, vil hybridmaterialet knekke tvert av ved en viss påført kraft. I dette tilfellet uttrykkes <math>\alpha</math> på følgende måte:
:<math>\alpha = 1-\frac{\sigma_p}{2\tau_y s}</math>

Hvis s derimot er mindre enn den kritiske verdien <math>s_c</math>, vil platene være fleksible i polymermatrisen når en kraft påføres, og det skal mye mer til før materialet går helt i stykker. I dette tilfellet uttrykkes <math>\alpha</math> som følger:
:<math>\alpha = \frac{\tau_y s}{2\sigma_p}</math>

Den ønskelige situasjonen er sistnevnte, der <math>s<s_c</math>. For å oppnå maksimal styrke på alle måter bør s være nært oppunder <math>s_c</math>.

<math>s_c</math> er en funksjon av <math>\sigma_p</math> og <math>\tau_y</math>: <math>s_c = \frac{\sigma_p}{\tau_y}</math>

Naturen har begrenset med materialer å velge mellom. Nacre er for eksempel bygget opp av aragonittplater i et organisk materiale, og <math>s_c</math> befinner seg da et sted mellom 9 og 12,5, noe som er en relativt lav verdi. Aragonitt har en <math>\sigma_p</math> verdi på mellom 360 og 500 MPa, mens syntetiske uorganiske plater kan ha <math>\sigma_p</math> verdier mellom 2 og 5 GPa. Dette gir rom for å bruke plater med en merkbart høyere aspektrate, uten å overskride den kritiske verdien <math>s_c</math>.

Volumprosenten av uorganiske plater har mye å si for filmens egenskaper. For få plater gir et materiale som tåler mye deformering før det ødelegges, men som til gjengjeld er mykt og lite beskyttende. For mange plater gjør materialet hardt og stivt, men da blir det også skjørt og følsomt for sprekker. Hvis volumprosenten er altfor høy vil dessuten ikke platene organisere seg i en ordnet struktur som gir de egenskapene vi er ute etter. Her ønskes et materiale som både er hardt og fleksibelt.

[[Bilde:volumprosent.jpg|center|thumb|800px|Figur A, B og C inneholder henholdsvis 5, 11 og 60 vol% <math>Al_2O_3</math> plater. Man ser at ved 60 vol% blir strukturen uordnet og hullete, mens platene beholder sin struktur for vol% lavere enn 20. Lengdeskalaen på bildene er henholdsvis 10, 5 og 2µm.]]

[[Bilde:stress vs strain.jpg|right|thumb|300px|Denne figuren viser hvordan komposittmaterialet tåler mer og mer påført kraft før det deformeres ettersom volumprosenten av plater økes fra null og opp imot 20]]
Bonderer ''et al.'' (ref: bioinspired artikkelen) valgte å lage en forsterket polymerfilm med 15 vol% aluminiumoksidplater i en matrise av kitosan. Aluminiumsplatene har en estimert strekkstyrke <math>\sigma_p</math> på 2 GPa (der aragonitt til sammenligning har en strekkstyrke mellom 360 og 500 MPa), og kitosan har en flyt skjærstyrke på ca 40MPa. Dette gir en kritisk verdi <math>s_c</math> på omtrent 50, noe som er mye høyere enn hva man finner i skjellstrukturer i naturen (<math>9<s_c<12,5</math> for nacre). Man kan dermed øke aspektraten (s) og fortsatt beholde en fleksibel oppførsel ved påført kraft, noe som gjør at materialet tåler mer. I dette eksempelet valgte forskerne en aspektrate på 40, og plater med en tykkelse på ca 200nm. Tykkelsen er på samme nivå som platene funnet i nacre, men i og med at aspektraten er høyere kan platene være lengre, og dette øker effektiviteten av kraftskifting (load transfer) til de uorganiske platene. Volumprosenten ble satt til 15 på grunnlag av observasjonene vist i figur___, der man ser at volumprosenter over 20 gir materialet en hullete og dårlig struktur. I tillegg ble dette valget basert på observasjoner av hvor mye materialet deformeres som følger av påført kraft, som vist i figur__.

Podsiadlo og hans kolleger har prøvd seg med montmorillonitt (MTM) leirplater i en matrise av polyvinylalkohol (PVA). De har fokusert på kjemien i grensesnittet mellom platene og polymermatrisen for å maksimere kraftoverføring til den sterkere uorganiske fasen.

== Produksjon ==
=== Metoder ===
Som nevnt tidligere finnes det ingen enkel og generell oppskrift på hvordan man kan produsere disse harde og sterke materialene. Ethvert materiale har spesifikke egenskaper, og det er ofte åpent for å anvende en ny teknikk som kun fungerer for et gitt materiale. Etter mye forskning, prøving og feiling, har man likevel kommet fram til noen fabrikasjonsmetoder som er mer generelle enn andre. Disse kan deles opp i følgende fire kategorier:
*'''Selvorganisering og "bottom up"'''
Denne metoden er nyttig i produksjonen av harde materialer, og drar nytte av visse elementers evne til å adsorbere og selvorganisere på en overflate.
*'''Elektroforetisk deposisjon'''
Denne metoden baserer seg på at ladde partikler selvorganiserer under påvirkning av et elektrisk felt. Ladde nanopartikler blandes i en suspensjon, og ved å sette på et eksternt elektrisk felt vil disse migrere til og feste seg på elektroden.
*'''Lag på lag metoden'''
Dette er en enkel metode for å produsere tynne filmer, gjerne med alternerende organisk-uorganisk fase. Et ladd substrat dyppes annenhver gang i motsatt ladde løsninger av polyelektrolytter.
*'''Templat inhibering'''

=== Anvendte teknikker ===
Noen av ovennevnte fabrikasjonsmetoder innebærer bruken av teknikker som krever en kort forklaring:

*'''Dip coating: Dypp-belegging'''
[[Bilde:Dip coating.gif|left|thumb|300px|De tre trinnene i dypp-beleggingsprosessen]]
Som det fremkommer av navnet beskriver dette en metode for å belegge noe med et tynt lag av noe annet. Vanligvis deles prosessen inn i fire deler: Først senkes gjenstanden som skal belegges ned i et beleggingsmateriale med konstant hastighet. Deretter lar man gjenstanden hvile i løsningen av beleggingsmateriale, slik at det skal få tid til å feste seg på overflaten. Etter en gitt tid trekkes gjenstanden opp igjen av løsningen, fortsatt med konstant hastighet for å unngå ujevnheter i filmen som blir lagt igjen på overflaten. Til slutt må filmen tørkes, slik at kun materialet som filmen skal bestå av er igjen på overflaten. Dette skjer oftest ved at løsning fordamper.
Det som i hovedsak bestemmer tykkelsen på filmen er hastigheten gjenstanden blir trukket opp igjen fra løsningen med. Jo høyere hastighet, jo tykkere film.

*'''Spin coating: Rotasjonsbelegging'''
[[Bilde:spincoat.jpg|right|thumb|300px|Prosessen i spin-coating og en representasjon av tykkelsen på laget som følge av rotasjonshastighet]]
Dette beskriver en annen teknikk for å belegge noe med en tynn film. Rotasjonsbelegging består i hovedsak av tre trinn: Påføring, rotasjon og tørking. Først dryppes eller sprayes beleggingsmaterialet, i flytende form, på sentrum av overflaten av gjenstanden som skal belegges. Belegget påføres i overflod i forhold til hva som blir igjen ved slutten av prosessen. Deretter settes gjenstanden inn i en maskin som kan rotere med høy hastighet. Når maskinen roterer vil belegget spres som følger av sentrifugalkraften, og til slutt renne over kanten av overflaten. Hastigheten bestemmer man selv, og avhenger av hvor tykk filmen skal være, og hva slags materiale den består av. Jo høyere vinkelhastighet, jo tynnere film. Vanligvis er løsningen volatil, og fordamper samtidig som gjenstanden roteres. Dette gjør at konsentrasjonen av løsningen også spiller inn på tykkelsen av filmen, der høy konsentrasjon gir en tykkere film enn lav konsentrasjon.
Andre faktorer som spiller inn på tykkelsen og egenskapene til filmen er: Akselerasjon til endelig rotasjonshastighet, rotasjonstid, viskositet til beleggingsvesken, fordampningshastighet, overflatespenning, temperatur, luftfuktighet osv.

*'''Sonication: Lydbehandling'''
Lydbehandling består i å tilføre energi til en prøve ved bruk av lydbølger, vanligvis ultralyd. Den høyfrekvente lyden blir generert elektronisk, og tilføres videre som mekanisk energi til prøven via en metallprobe som oscillerer med høy frekvens. Et såkalt ultralydbad kan også brukes. Når partiklene får høyere energi vil de bevege seg mer, og dette kan utnyttes på flere måter. Intermolekylære bånd kan brytes, noe som kan brukes til å løse opp og blande stoffer svært raskt. Energien tilført kan også utnyttes for å få en kjemisk reaksjon til å gå, til å fjerne oppløst gass fra en væske eller til å starte en krystalliseringsprosess. Innen biologi kan lydbehandling brukes til å ødelegge cellemembraner, for så å frigjøre det som befinner seg inne i cellen. Et mer populært bruksområde er rengjøring, fordi lydbehandling kan brukes til å løsne partikler fra en overflate. Denne typen rengjøring blir ofte brukt på briller og smykker.

=== Fremgangsmåte ===
Flere materialer har blitt prøvd ut for å lage lignende polymerfilmer, men her skal vi se på produksjonen av en film satt sammen av aluminiumsplater og kitosan. Kitosan er en biopolymer som produseres fra råstoffet kitin, som man i Norge hovedsakelig utvinner fra rekeskall.

Hovedidéen bak produksjonsprosessen er at man skal legge aluminiumsplater og kitosan lagvis oppå hverandre, inntil man oppnår en film med en tykkelse på mindre enn noen titalls mikrometer. Hvert lag må altså være svært tynt, og aluminiumsplatene må ikke ligge klumpet oppå hverandre.

[[Bilde:produksjon.jpg|left|thumb|200px|Skjematisk tegning av silankjeder av typen aminopropyltriethoxysilane, ATES, festet til overflaten av en aluminiumsplate]]
På grunn av sin lave størrelse kan aluminiumsplatene ses på som kolloidale partikler, og har evnen til å adsorbere på overflaten mellom luft og vann. Det blir utnyttet her. For å lette adsorpsjonen blir først noe hydrofobe silankjeder (aminopropyltriethoxysilane, ATES) festet på den ene siden av aluminiumsplatene. En silankjede kan ses på som ekvivalent til et alkan, der karbonet er byttet ut med silisium. Festeprosessen blir gjort ved å tilsette plater i en løsning av ATES, løsningen lydbehandles så i fem minutter og blandes i 30 min ved 40graderC. Platene blir så vasket med etanol ved hjelp av sentrifugering. Silankjedene som festes på aluminiumsplatene har en aminogruppe på enden, som senere er ment å danne hydrogenbånd med oksygenet i kitosan.

For å danne en tett og homogen langmuirfilm av plater på vannoverflaten lages først en suspensjon av plater i etanol. Suspensjonen består av 1 vol% plater. Denne løsningen blir så dryppet på en vannoverflate, og videre behandlet i 15-30 min med lydbehandling. I løpet av lydbehandlingen dannes også elektriske dobbeltlag mellom de likt ladde aluminiumsplatene, og frastøtningskreftene mellom dem bidrar til bedre struktur i monolaget.

Monolaget blir så overført til en glassplate ved bruk av dypp-belegging og tørking ved 50graderC. Neste steg er å belegge dette igjen med et tynt lag av kitosan, noe som blir gjort ved rotasjonsbelegging. Beleggingsløsningen blir laget ved å la kitosan ligge i en 0,34 M løsning av eddiksyre i minst 24 timer. Eddiksyren er ment å protonere kitosan makromolekylene og amingruppene på enden av silankjedene, for å lette dannelsen av hydrogenbond mellom den organiske og uorganiske fasen. Rotasjon utføres i 40 sekunder med en hastighet på 2000 rpm, hvorpå kitosanlaget tørkes ved 50graderC. Tykkelsen av polymerlaget kan bestemmes ved å endre konsentrasjonen av kitosan i beleggingsløsningen.

Disse trinnene blir så gjentatt inntil ønsket tykkelse på filmen er oppnådd, noe som vanligvis tilsvarer mellom 8 og 10 lag av plater. Når filmen er ferdig fjernes den fra glassplaten med et barberblad.
 

==Andre prosjekter på området==
Ved University of California bruker man en annen innfallsvinkel og bruker kunnskapen om skjellenes holdbarhet til å lage sterkere metallegeringer. Man legger lagvis tynne plater av Titan og Aluminium oppå hverandre på samme måte som krittplatene i skjellet, adskilt av en myk Titan-legering, som tar rollen som det myke vevet rundt platene. Mange produsenter innen spesielt flybransjen ser på dette som en god erstatning for materialet som i dag brukes i flykroppen, siden det gir et mye sterkere materiale per vekt enn i dagens fly. Materialet i seg selv er sterkere enn murstein, og den største fordelen er at eventuelle sprekkdannelser sprer seg i materialet heller enn at materialet knekker på et bestemt sted. Disse egenskapene gjør at materialet også kunne brukes som lett pansring i militære sammenhenger.

==Applikasjoner==
* Biologiske eller syntetiske nacre-lignende materialer har evnen til å integrere seg i benstrukturer, og kan dermed brukes innen biomedisin, spesielt innen ortopedi og tannbehandling.
* Applikasjoner for sterke polymerer; Mer bruk av polymerer som erstatning for korroderende metaller i bygninger, fly, biler, båter etc., forbruksvarer (strikken som aldri ryker)
* Lettere og mer holdbare keramer

 

==Relevans for nanoteknologer==
* Mikro- og nanostrukturen i materialer kan ha MYE å si for dets fysiske, makroskopiske egenskaper.
* Ved å bruke materialer med forskjellige egenskaper i forskjellige "blandingsforhold" kan man lage materialer som ikke bare tar med seg det beste fra disse materialene, men også øker ytelsen ifht bestanddelene.
* viktig å la seg inspirere av naturens nanostrukturer, men samtidig også slippe seg løs og finne nye materialer og løsninger som er bedre egnet enn det naturen kan få til.
* Kanskje har også naturen enda mer å gå på evolusjonsmessig; det lønner seg å utforske forskjellige variasjoner av oppbygningen.
* Naturen har en viktig fordel; kan vha DNA og RNA å bygge mikro- og nanostrukturer med en utrolig nøyaktighet og nærmest uten feil.
* Man kan lære av tankegangen i dette forsøket; i stedet for å lage mer holdbare keramer, som er formålet med skjellenes oppbygning, bruker man det man har lært fra skjellene til å lage sterkere polymerer for andre formål. Tenk nytt!
* Holdbarheten til abalonskjellet er lett å merke når man undersøker det makroskopisk. Men finnes det små organismer som er vanskelig å undersøke makroskopisk, som har enda bedre nanostruktur?

== Konklusjon ==
Forskning på naturens sterke materialer har pågått i flere tiår allerede. Vi har funnet mange eksempler på plateforsterkede materialer, spesielt i diverse skjell, ben og tenner, og flere forsøk har blitt gjort på å fabrikkere lignende strukturer. Likevel har vi langt igjen for å kunne måle oss med naturens unike konstruksjonsferdigheter. Ikke bare har vi vanskeligheter med selve produksjonsprosessen, men vi har også en begrenset forståelse av den komplekse og hierarkiske strukturen som finnes i naturens materialer. Når det gjelder plateforsterkede polymerfilmer har vi klart å lage en lignende struktur av plater organisert i en polymermatrise, men det finnes andre aspekter og høyere ordens strukturelementer vi enda ikke har utforsket. Eksempler hentet fra strukturen i forskjellige skjell er vist i figuren under:

[[Bilde:seashells.gif|center|thumb|350px|A: Tverrsnitt som viser strukturen av et rødt California Abalone skjell. B: SEM bilde av grensesnittet mellom kalsitt og nacre i et Trochus Niloticus skjell. C: Kunstig farget SEM bilde av en lag på lag spiralstruktur i T. Niloticus nacre. D: Venstre: AFM bilde av nanopartikler på overflaten av en separat nacre-plate fra et rødt California Abalone skjell. Høyre: Skjematisk fremstilling av hvordan nanopartiklene roteres ved en påført kraft]]

Vi har likevel en stor fordel i forhold til naturen, fordi vi kan velge mellom mange flere konstruksjonsmaterialer. Med dagens halvgode produksjonsmetoder klarer vi allerede å konstruere plateforsterkede polymerfilmer med like gode egenskaper som i naturen på visse områder. Ved videre forståelse av biomaterialer og utvikling av produksjonsmetoder kan man se for seg muligheten for produksjon av helt eksepsjonelle komposittmaterialer en gang i framtiden, som overskrider naturen på alle områder.

== Kilder ==

[1] http://hal.archives-ouvertes.fr/docs/00/09/20/27/PDF/Bourrat-BioMin-2005.pdf 
[2] http://www.biophysik.uni-bremen.de/fritz/research.html 
http://nysgjerrigper.no/Artikler/2005/april/med-naturen-som-fasit 
http://arjournals.annualreviews.org/doi/full/10.1146/annurev.physchem.51.1.601?amp;searchHistoryKey=${searchHistoryKey}&cookieSet=1 
http://www.sciencemag.org/cgi/reprint/318/5847/80.pdf 
(Den spirituelle digresjonen):"http://www.althelse.com/steiner-&-krystaller/1228-abalone.html?showall=1" 
http://www.sciencemag.org/cgi/data/319/5866/1069/DC1/1 
Bioinspired Design and Assembly of Platelet Reinforced Polymer Films, Lorenz J. Bonderer, et al. Science 319, 1069 (2008); DOI: 10.1126/science.1148726
http://www.sciencemag.org/cgi/content/full/sci;319/5866/1053#ref4 
http://www.clean.cise.columbia.edu//process/spintheory.pdf 
http://en.wikipedia.org/wiki/Spin_coating 
http://en.wikipedia.org/wiki/Sonication 
http://en.wikipedia.org/wiki/Cell_disruption 
http://rsta.royalsocietypublishing.org/content/367/1893/1587.full 
http://www.nanowerk.com/spotlight/spotid=2131.php 
http://www.nytimes.com/2005/03/22/science/22abal.html

Bioinspirert design og sammensetting av plateforsterkede polymerfilmer

2009-03-23T12:07:33Z

Eirikgje: /* Relevans for nanoteknologer */

== Innledning ==
[[Bilde:fuflogfly.jpg|right|thumb|350px|NASA har utviklet et fly som kan endre form og lengde på vingene for minst mulig motstand og turbulens under flygingen, og som kan splitte opp vingespissene ved landing. Designet er inspirert av hvithodehavørnen, vist til vesntre.]]
Naturen har gjennom millioner av år med evolusjon utviklet sofistikerte og effektive materialer til forskjellige formål. Vi mennesker har kun eksistert en brøkdel av denne tidsperioden, og på tross av at vi er en av de dyktigste livsformene hva gjelder utvikling av forskjellige redskaper, har vi fortsatt mye å lære av andre organismer. I naturen finnes hundrevis av eksempler på fremgangsmåter, kamuflasje og smarte materialer, som vi bare såvidt har begynt å utforske. Noen eksempler er fly konstruert etter inspirasjon fra fuglers flyteknikk, svømmedrakter designet på samme måte som haihud, og en kamuflasjegel som reflekterer lyset fra omgivelsene, inspirert av blekksprutens evne til å skifte farge.

== Inspirasjon ==
Så og si alle biologiske komposittmaterialer har spesifikke strukturegenskaper på alle lengdeskalaer, fra molekylær, via nanoskopisk og mikroskopisk, til makroskopisk. Innen nanoteknologi er det spesielt interessant å utforske hvordan naturen har utviklet materialer på mikro- og nanoskala for å få dem best mulig egnet til deres bruk.

Mange organismer har bruk for harde og slitesterke materialer. For mennesker og andre dyr er det viktig å ha sterke tenner og skjelett, for mindre organismer er det viktig med harde skall for å beskytte de bløte delene. Et eksempel på dette er forskjellige skjell, som bygger skallet sitt ved hjelp av nanostrukturerte aragonitt(CaC03, kanskje bedre kjent som kritt)-plater omgitt av lag med elastiske biopolymerer som kitin, lustrin og andre proteiner. Denne oppbygningen av materialet gjør det 3000 ganger sterkere enn rent aragonitt, og det er denne enorme forskjellen som gjør at forskere i lang tid har prøvd å lære mer om oppbygningen. Håpet må være at vi innen en stadig minkende tidshorisont kan bruke denne kunnskapen til å masseprodusere sterkere og lettere stoffer enn tidligere.

== Utfordring ved bruk av nanobyggestener ==
Nanobyggestener er hver for seg tilnærmet ideelle materialer, med høy strekkstyrke og Young's modulus. Dessverre er det ikke slik at man kan hive sammen en haug av nanopartikler, og oppnå et materiale i bulk med egenskaper lik summen av partiklene det er satt sammen av. Det har vist seg at polymerer styrket med nanomaterialer har langt dårligere egenskaper enn de enkelte byggestenene hver for seg. Unntaket er hvis volumprosenten av det styrkende nanomaterialet er lav. Dette kan antakeligvis forklares ved viktigheten av struktur i komposittmaterialet. Hvis man bruker en høy volumprosent av nanopartikler er det vanskelig å kontrollere strukturen, spesielt fordi partiklene har en tendens til å aggregere og danne bulk materiale. Det er ønskelig at nanoelementene i komposittmaterialet rangerer seg på en ordnet måte, uten å klumpe seg sammen, da dette maksimerer kontaktflaten mellom nanopartikler og polymer.

En annen utfordring er selve produksjonen. Det er svært vanskelig å kontrollere oppførselen til et materiale på nanoskala. Det finnes muligheter for å plassere en og en partikkel f.eks med en AFM spiss, men hvis produksjon skal foregå på litt større skala må man ty til selvorganisering. For å oppnå ønsket resultat ved selvorganisering trengs inngående kunnskap om nanomaterialets fysiske og kjemiske egenskaper.

== Oppbygningen av skjellet ==
[[Bilde:nacreAFMPC.jpg|left|thumb|250px|Oppbygningen av Abalonskjellet, med polygonformede biokrystaller omggitt av proteiner. Bilde tatt med AFM og fasekontrast. [1]]]

''Haliotis Rufescens'' (Rød Abalon, Regnbuestein) er en av de sterkeste skjellene hva gjelder fysiske egenskaper. Innsiden har et regnbuefarget utseende, litt på samme måten som en CD, og denne likheten er det første indisiet på at vi har med en mikro- eller nanostruktur å gjøre. Allerede i 1955 kunne ''Grégoire et al.'' bevise at skjellene består av plater med organiske forbindelser, og ''Weiner'' kunne i 1986 fastslå at det dreide seg om plater på ca. ~5 µm i diameter, og med en tykkelse på 0.5µm, omgitt av et biopolymer. Ved å studere skjellet med AFM, SEM og TEM, har man med tiden kartlagt oppbygningen til materialet; skjellene består polygoniske biomineraler av aragonitt/kritt(CaCO3) separert av tynne (~45nm) lag med elastiske, organiske polymer-lignende proteiner, slik at strukturen på nano-skala ligner makroskopiske murvegger, med krystallene som "mursteiner" og proteinene som "sement". Det finnes to forskjellige strukturformer i skjellene; kolonne- og trappeform.
[[Bilde:nacreSEMcross.jpg|right|thumb|250px|Tversnitt av Abalonskjellet, tatt med SEM. [2]]]
Kolonneform betyr at sentrum av hver krystallplate ligger omtrent rett over sentrum av plata under. Når sentrum i hver plate ligger omtrent over skjøten mellom de underliggende platene, omtrent på samme måte som i murvegger, kalles dette trappeform. Det som fascinerer mest med denne oppbygningen er at hovedbestanddelen (95%) av materialet er kritt, et av naturens mest skjøre materialer (tenk tavlekritt, eggeskall etc). Oppbygningen i skjellene gjør at materialet tåler 3000 ganger så mye som aragonitt i vanlig bulk-form. Den samme strukturen finnes blant annet i ben hos alle større dyr, blant annet hos mennesket. Vår benbygning består på samme måte av plater med mineralet kalsium- hydroksyapatitt, omgitt av et mykere vev av kollagen. Den viktigste forskjellen mellom skjellene og vår benbygning er likevel at våre ben består av relativt sett mindre mineraler i forhold til det mykere biopolymeret (~95% for skjellene og ~45% i vår benbygning). Dette gjør at mens skjellene er hardere enn vår benbygning, tåler vi mer støt, strekk og bøying før materialet gir etter.

(En liten digresjon for de spirituelle (fra Alternativ Helse): "Abalon er god for kjærlighet, romantikk, god mat, og kreativitet (spesielt lyrikk og musikk) (...) Beskytter mot negative energier, spesielt sinne, depresjon, frykt, og tristhet. (...) fører til inspirasjon og kreativitet, spesielt innen skriving. Denne virkningen er sterkest til skapende skriving, som poesi og lyrikk, men er også fin innen forretning eller skoleskriving.")

== Dimensjoner og materialer ==
Biomimikk går ut på å imitere naturen nøyaktig for å bygge opp materialer med de egenskapene man finner i naturen. Bioinspirasjon derimot, handler om å hente inspirasjon fra naturens mange kilder, for så å utvikle videre et syntetisk materiale med helt spesifikke egenskaper, som kan overskride naturen på flere områder. Vi har mange flere materialer å velge mellom enn naturen, kan variere dimensjoner og strukturer på alle lengdeskalaer, og har dermed mange flere variable å utforske for å oppnå akkurat de egenskapene vi er ute etter. Dette er imidlertid lettere sagt en gjort, konstruksjonen av ben eller skjell lignende strukturer har vist seg å være ekstremt vanskelig, spesielt fordi det er meget utfordrene å finne generelle teknikker som fungerer for forskjellige materialer. Vi skal derfor her ta for oss en spesifikk type polymerfilm.

Før valg av materiale gjelder det å få oversikt over hvilke egenskaper den organiske og den uorganiske fasen bør ha, og hvor stor prosentandel man ideelt sett bør bruke av hver av dem.

Hvis man kjenner til styrken til de forskjellige materialene hver for seg samt volumprosenten av plater, kan man regne ut den totale styrken til hybridmaterialet ved følgende formel:
:<math>\sigma_c = \alpha V_p \sigma_p + (1-V_p)\sigma_m</math>
Der <math>\sigma_c</math> er maksimal strekkstyrke (tensile strength) til materialet, <math>V_p</math> er volumprosenten av plater, <math>\sigma_p</math> og <math>\sigma_m</math> er strekkstyrken til henholdsvis platene og polymermaterialet i matrisen rundt platene. <math>\alpha</math> er en funksjon av s, <math>\tau_y</math> og <math>\sigma_p</math>, der s er forholdet mellom lengde og tykkelse på platene (aspektrate) og <math>\tau_y</math> er flyt skjærstyrken (yield shear stength) til polymermatrisen.

[[Bilde:Brudd copy.jpg|left|thumb|250px|Den øverste figuren viser hvordan filmen vil knekke hvis <math>s>s_c</math>, mens den nederste figuren illustrerer hvordan materialet kan bli styrket hvis <math>s<s_c</math>, og platene er fleksible i polymermatrisen i stedet for å knekke tvert av ved en påført kraft.]]
Uttrykket for <math>\alpha</math> avhenger av s, aspektraten til platene. Hvis s er høyere enn en kritisk verdi <math>s_c</math>, vil hybridmaterialet knekke tvert av ved en viss påført kraft. I dette tilfellet uttrykkes <math>\alpha</math> på følgende måte:
:<math>\alpha = 1-\frac{\sigma_p}{2\tau_y s}</math>

Hvis s derimot er mindre enn den kritiske verdien <math>s_c</math>, vil platene være fleksible i polymermatrisen når en kraft påføres, og det skal mye mer til før materialet går helt i stykker. I dette tilfellet uttrykkes <math>\alpha</math> som følger:
:<math>\alpha = \frac{\tau_y s}{2\sigma_p}</math>

Den ønskelige situasjonen er sistnevnte, der <math>s<s_c</math>. For å oppnå maksimal styrke på alle måter bør s være nært oppunder <math>s_c</math>.

<math>s_c</math> er en funksjon av <math>\sigma_p</math> og <math>\tau_y</math>: <math>s_c = \frac{\sigma_p}{\tau_y}</math>

Naturen har begrenset med materialer å velge mellom. Nacre er for eksempel bygget opp av aragonittplater i et organisk materiale, og <math>s_c</math> befinner seg da et sted mellom 9 og 12,5, noe som er en relativt lav verdi. Aragonitt har en <math>\sigma_p</math> verdi på mellom 360 og 500 MPa, mens syntetiske uorganiske plater kan ha <math>\sigma_p</math> verdier mellom 2 og 5 GPa. Dette gir rom for å bruke plater med en merkbart høyere aspektrate, uten å overskride den kritiske verdien <math>s_c</math>.

Volumprosenten av uorganiske plater har mye å si for filmens egenskaper. For få plater gir et materiale som tåler mye deformering før det ødelegges, men som til gjengjeld er mykt og lite beskyttende. For mange plater gjør materialet hardt og stivt, men da blir det også skjørt og følsomt for sprekker. Hvis volumprosenten er altfor høy vil dessuten ikke platene organisere seg i en ordnet struktur som gir de egenskapene vi er ute etter. Her ønskes et materiale som både er hardt og fleksibelt.

[[Bilde:volumprosent.jpg|center|thumb|800px|Figur A, B og C inneholder henholdsvis 5, 11 og 60 vol% <math>Al_2O_3</math> plater. Man ser at ved 60 vol% blir strukturen uordnet og hullete, mens platene beholder sin struktur for vol% lavere enn 20. Lengdeskalaen på bildene er henholdsvis 10, 5 og 2µm.]]

[[Bilde:stress vs strain.jpg|right|thumb|300px|Denne figuren viser hvordan komposittmaterialet tåler mer og mer påført kraft før det deformeres ettersom volumprosenten av plater økes fra null og opp imot 20]]
Bonderer ''et al.'' (ref: bioinspired artikkelen) valgte å lage en forsterket polymerfilm med 15 vol% aluminiumoksidplater i en matrise av kitosan. Aluminiumsplatene har en estimert strekkstyrke <math>\sigma_p</math> på 2 GPa (der aragonitt til sammenligning har en strekkstyrke mellom 360 og 500 MPa), og kitosan har en flyt skjærstyrke på ca 40MPa. Dette gir en kritisk verdi <math>s_c</math> på omtrent 50, noe som er mye høyere enn hva man finner i skjellstrukturer i naturen (<math>9<s_c<12,5</math> for nacre). Man kan dermed øke aspektraten (s) og fortsatt beholde en fleksibel oppførsel ved påført kraft, noe som gjør at materialet tåler mer. I dette eksempelet valgte forskerne en aspektrate på 40, og plater med en tykkelse på ca 200nm. Tykkelsen er på samme nivå som platene funnet i nacre, men i og med at aspektraten er høyere kan platene være lengre, og dette øker effektiviteten av kraftskifting (load transfer) til de uorganiske platene. Volumprosenten ble satt til 15 på grunnlag av observasjonene vist i figur___, der man ser at volumprosenter over 20 gir materialet en hullete og dårlig struktur. I tillegg ble dette valget basert på observasjoner av hvor mye materialet deformeres som følger av påført kraft, som vist i figur__.

Podsiadlo og hans kolleger har prøvd seg med montmorillonitt (MTM) leirplater i en matrise av polyvinylalkohol (PVA). De har fokusert på kjemien i grensesnittet mellom platene og polymermatrisen for å maksimere kraftoverføring til den sterkere uorganiske fasen.

== Produksjon ==
=== Metoder ===
Som nevnt tidligere finnes det ingen enkel og generell oppskrift på hvordan man kan produsere disse harde og sterke materialene. Ethvert materiale har spesifikke egenskaper, og det er ofte åpent for å anvende en ny teknikk som kun fungerer for et gitt materiale. Etter mye forskning, prøving og feiling, har man likevel kommet fram til noen fabrikasjonsmetoder som er mer generelle enn andre. Disse kan deles opp i følgende fire kategorier:
*'''Selvorganisering og "bottom up"'''
Denne metoden er nyttig i produksjonen av harde materialer, og drar nytte av visse elementers evne til å adsorbere og selvorganisere på en overflate.
*'''Elektroforetisk deposisjon'''
Denne metoden baserer seg på at ladde partikler selvorganiserer under påvirkning av et elektrisk felt. Ladde nanopartikler blandes i en suspensjon, og ved å sette på et eksternt elektrisk felt vil disse migrere til og feste seg på elektroden.
*'''Lag på lag metoden'''
Dette er en enkel metode for å produsere tynne filmer, gjerne med alternerende organisk-uorganisk fase. Et ladd substrat dyppes annenhver gang i motsatt ladde løsninger av polyelektrolytter.
*'''Templat inhibering'''

=== Anvendte teknikker ===
Noen av ovennevnte fabrikasjonsmetoder innebærer bruken av teknikker som krever en kort forklaring:

*'''Dip coating: Dypp-belegging'''
[[Bilde:Dip coating.gif|left|thumb|300px|De tre trinnene i dypp-beleggingsprosessen]]
Som det fremkommer av navnet beskriver dette en metode for å belegge noe med et tynt lag av noe annet. Vanligvis deles prosessen inn i fire deler: Først senkes gjenstanden som skal belegges ned i et beleggingsmateriale med konstant hastighet. Deretter lar man gjenstanden hvile i løsningen av beleggingsmateriale, slik at det skal få tid til å feste seg på overflaten. Etter en gitt tid trekkes gjenstanden opp igjen av løsningen, fortsatt med konstant hastighet for å unngå ujevnheter i filmen som blir lagt igjen på overflaten. Til slutt må filmen tørkes, slik at kun materialet som filmen skal bestå av er igjen på overflaten. Dette skjer oftest ved at løsning fordamper.
Det som i hovedsak bestemmer tykkelsen på filmen er hastigheten gjenstanden blir trukket opp igjen fra løsningen med. Jo høyere hastighet, jo tykkere film.

*'''Spin coating: Rotasjonsbelegging'''
[[Bilde:spincoat.jpg|right|thumb|300px|Prosessen i spin-coating og en representasjon av tykkelsen på laget som følge av rotasjonshastighet]]
Dette beskriver en annen teknikk for å belegge noe med en tynn film. Rotasjonsbelegging består i hovedsak av tre trinn: Påføring, rotasjon og tørking. Først dryppes eller sprayes beleggingsmaterialet, i flytende form, på sentrum av overflaten av gjenstanden som skal belegges. Belegget påføres i overflod i forhold til hva som blir igjen ved slutten av prosessen. Deretter settes gjenstanden inn i en maskin som kan rotere med høy hastighet. Når maskinen roterer vil belegget spres som følger av sentrifugalkraften, og til slutt renne over kanten av overflaten. Hastigheten bestemmer man selv, og avhenger av hvor tykk filmen skal være, og hva slags materiale den består av. Jo høyere vinkelhastighet, jo tynnere film. Vanligvis er løsningen volatil, og fordamper samtidig som gjenstanden roteres. Dette gjør at konsentrasjonen av løsningen også spiller inn på tykkelsen av filmen, der høy konsentrasjon gir en tykkere film enn lav konsentrasjon.
Andre faktorer som spiller inn på tykkelsen og egenskapene til filmen er: Akselerasjon til endelig rotasjonshastighet, rotasjonstid, viskositet til beleggingsvesken, fordampningshastighet, overflatespenning, temperatur, luftfuktighet osv.

*'''Sonication: Lydbehandling'''
Lydbehandling består i å tilføre energi til en prøve ved bruk av lydbølger, vanligvis ultralyd. Den høyfrekvente lyden blir generert elektronisk, og tilføres videre som mekanisk energi til prøven via en metallprobe som oscillerer med høy frekvens. Et såkalt ultralydbad kan også brukes. Når partiklene får høyere energi vil de bevege seg mer, og dette kan utnyttes på flere måter. Intermolekylære bånd kan brytes, noe som kan brukes til å løse opp og blande stoffer svært raskt. Energien tilført kan også utnyttes for å få en kjemisk reaksjon til å gå, til å fjerne oppløst gass fra en væske eller til å starte en krystalliseringsprosess. Innen biologi kan lydbehandling brukes til å ødelegge cellemembraner, for så å frigjøre det som befinner seg inne i cellen. Et mer populært bruksområde er rengjøring, fordi lydbehandling kan brukes til å løsne partikler fra en overflate. Denne typen rengjøring blir ofte brukt på briller og smykker.

=== Fremgangsmåte ===
Flere materialer har blitt prøvd ut for å lage lignende polymerfilmer, men her skal vi se på produksjonen av en film satt sammen av aluminiumsplater og kitosan. Kitosan er en biopolymer som produseres fra råstoffet kitin, som man i Norge hovedsakelig utvinner fra rekeskall.

Hovedidéen bak produksjonsprosessen er at man skal legge aluminiumsplater og kitosan lagvis oppå hverandre, inntil man oppnår en film med en tykkelse på mindre enn noen titalls mikrometer. Hvert lag må altså være svært tynt, og aluminiumsplatene må ikke ligge klumpet oppå hverandre.

[[Bilde:produksjon.jpg|left|thumb|200px|Skjematisk tegning av silankjeder av typen aminopropyltriethoxysilane, ATES, festet til overflaten av en aluminiumsplate]]
På grunn av sin lave størrelse kan aluminiumsplatene ses på som kolloidale partikler, og har evnen til å adsorbere på overflaten mellom luft og vann. Det blir utnyttet her. For å lette adsorpsjonen blir først noe hydrofobe silankjeder (aminopropyltriethoxysilane, ATES) festet på den ene siden av aluminiumsplatene. En silankjede kan ses på som ekvivalent til et alkan, der karbonet er byttet ut med silisium. Festeprosessen blir gjort ved å tilsette plater i en løsning av ATES, løsningen lydbehandles så i fem minutter og blandes i 30 min ved 40graderC. Platene blir så vasket med etanol ved hjelp av sentrifugering. Silankjedene som festes på aluminiumsplatene har en aminogruppe på enden, som senere er ment å danne hydrogenbånd med oksygenet i kitosan.

For å danne en tett og homogen langmuirfilm av plater på vannoverflaten lages først en suspensjon av plater i etanol. Suspensjonen består av 1 vol% plater. Denne løsningen blir så dryppet på en vannoverflate, og videre behandlet i 15-30 min med lydbehandling. I løpet av lydbehandlingen dannes også elektriske dobbeltlag mellom de likt ladde aluminiumsplatene, og frastøtningskreftene mellom dem bidrar til bedre struktur i monolaget.

Monolaget blir så overført til en glassplate ved bruk av dypp-belegging og tørking ved 50graderC. Neste steg er å belegge dette igjen med et tynt lag av kitosan, noe som blir gjort ved rotasjonsbelegging. Beleggingsløsningen blir laget ved å la kitosan ligge i en 0,34 M løsning av eddiksyre i minst 24 timer. Eddiksyren er ment å protonere kitosan makromolekylene og amingruppene på enden av silankjedene, for å lette dannelsen av hydrogenbond mellom den organiske og uorganiske fasen. Rotasjon utføres i 40 sekunder med en hastighet på 2000 rpm, hvorpå kitosanlaget tørkes ved 50graderC. Tykkelsen av polymerlaget kan bestemmes ved å endre konsentrasjonen av kitosan i beleggingsløsningen.

Disse trinnene blir så gjentatt inntil ønsket tykkelse på filmen er oppnådd, noe som vanligvis tilsvarer mellom 8 og 10 lag av plater. Når filmen er ferdig fjernes den fra glassplaten med et barberblad.
 

==Andre prosjekter på området==
Ved University of California bruker man en annen innfallsvinkel og bruker kunnskapen om skjellenes holdbarhet til å lage sterkere metallegeringer. Man legger lagvis tynne plater av Titan og Aluminium oppå hverandre på samme måte som krittplatene i skjellet, adskilt av en myk Titan-legering, som tar rollen som det myke vevet rundt platene. Mange produsenter innen spesielt flybransjen ser på dette som en god erstatning for materialet som i dag brukes i flykroppen, siden det gir et mye sterkere materiale per vekt enn i dagens fly. Materialet i seg selv er sterkere enn murstein, og den største fordelen er at eventuelle sprekkdannelser sprer seg i materialet heller enn at materialet knekker på et bestemt sted. Disse egenskapene gjør at materialet også kunne brukes som lett pansring i militære sammenhenger.

==Applikasjoner==
* Biologiske eller syntetiske nacre-lignende materialer har evnen til å integrere seg i benstrukturer, og kan dermed brukes innen biomedisin, spesielt innen ortopedi og tannbehandling.
* Applikasjoner for sterke polymerer; Mer bruk av polymerer som erstatning for korroderende metaller i bygninger, fly, biler, båter etc., forbruksvarer (strikken som aldri ryker)
* Lettere og mer holdbare keramer

 

==Relevans for nanoteknologer==
* Mikro- og nanostrukturen i materialer kan ha MYE å si for dets fysiske, makroskopiske egenskaper.
* Ved å bruke materialer med forskjellige egenskaper i forskjellige "blandingsforhold" kan man lage materialer som ikke bare tar med seg det beste fra disse materialene, men også øker ytelsen ifht bestanddelene.
* viktig å la seg inspirere av naturens nanostrukturer, men samtidig også slippe seg løs og finne nye materialer og løsninger som er bedre egnet enn det naturen kan få til.
* Kanskje har også naturen enda mer å gå på evolusjonsmessig; det lønner seg å utforske forskjellige variasjoner av oppbygningen.
* Naturen har en viktig fordel; kan vha DNA og RNA å bygge mikro- og nanostrukturer med en utrolig nøyaktighet og nærmest uten feil.
* Man kan lære av tankegangen i dette forsøket; i stedet for å lage mer holdbare keramer, som er formålet med skjellenes oppbygning, bruker man det man har lært fra skjellene til å lage sterkere polymerer for andre formål. Tenk nytt!
* Holdbarheten til abalonskjellet er lett å merke når man undersøker det makroskopisk. Men finnes det små organismer som er vanskelig å undersøke makroskopisk, som har enda bedre nanostruktur?

== Konklusjon ==
Forskning på naturens sterke materialer har pågått i flere tiår allerede. Vi har funnet mange eksempler på plateforsterkede materialer, spesielt i diverse skjell, ben og tenner, og flere forsøk har blitt gjort på å fabrikkere lignende strukturer. Likevel har vi langt igjen for å kunne måle oss med naturens unike konstruksjonsferdigheter. Ikke bare har vi vanskeligheter med selve produksjonsprosessen, men vi har også en begrenset forståelse av den komplekse og hierarkiske strukturen som finnes i naturens materialer. Når det gjelder plateforsterkede polymerfilmer har vi klart å lage en lignende struktur av plater organisert i en polymermatrise, men det finnes andre aspekter og høyere ordens strukturelementer vi enda ikke har utforsket. Eksempler hentet fra strukturen i forskjellige skjell er vist i figuren under:

[[Bilde:seashells.gif|center|thumb|350px|A: Tverrsnitt som viser strukturen av et rødt California Abalone skjell. B: SEM bilde av grensesnittet mellom kalsitt og nacre i et Trochus Niloticus skjell. C: Kunstig farget SEM bilde av en lag på lag spiralstruktur i T. Niloticus nacre. D: Venstre: AFM bilde av nanopartikler på overflaten av en separat nacre-plate fra et rødt California Abalone skjell. Høyre: Skjematisk fremstilling av hvordan nanopartiklene roteres ved en påført kraft]]

Vi har likevel en stor fordel i forhold til naturen, fordi vi kan velge mellom mange flere konstruksjonsmaterialer. Med dagens halvgode produksjonsmetoder klarer vi allerede å konstruere plateforsterkede polymerfilmer med like gode egenskaper som i naturen på visse områder. Ved videre forståelse av biomaterialer og utvikling av produksjonsmetoder kan man se for seg muligheten for produksjon av helt eksepsjonelle komposittmaterialer en gang i framtiden, som overskrider naturen på alle områder.

== Kilder ==

[1] http://hal.archives-ouvertes.fr/docs/00/09/20/27/PDF/Bourrat-BioMin-2005.pdf 
[2] http://www.biophysik.uni-bremen.de/fritz/research.html 
http://nysgjerrigper.no/Artikler/2005/april/med-naturen-som-fasit 
http://arjournals.annualreviews.org/doi/full/10.1146/annurev.physchem.51.1.601?amp;searchHistoryKey=${searchHistoryKey}&cookieSet=1 
http://www.sciencemag.org/cgi/reprint/318/5847/80.pdf 
(Den spirituelle digresjonen):"http://www.althelse.com/steiner-&-krystaller/1228-abalone.html?showall=1" 
http://www.sciencemag.org/cgi/data/319/5866/1069/DC1/1 
Bioinspired Design and Assembly of Platelet Reinforced Polymer Films, Lorenz J. Bonderer, et al. Science 319, 1069 (2008); DOI: 10.1126/science.1148726
http://www.sciencemag.org/cgi/content/full/sci;319/5866/1053#ref4 
http://www.clean.cise.columbia.edu//process/spintheory.pdf 
http://en.wikipedia.org/wiki/Spin_coating 
http://en.wikipedia.org/wiki/Sonication 
http://en.wikipedia.org/wiki/Cell_disruption 
http://rsta.royalsocietypublishing.org/content/367/1893/1587.full 
http://www.nanowerk.com/spotlight/spotid=2131.php 
http://www.nytimes.com/2005/03/22/science/22abal.html

Bioinspirert design og sammensetting av plateforsterkede polymerfilmer

2009-03-23T12:04:57Z

Eirikgje: /* Relevans for nanoteknologer */

== Innledning ==
[[Bilde:fuflogfly.jpg|right|thumb|350px|NASA har utviklet et fly som kan endre form og lengde på vingene for minst mulig motstand og turbulens under flygingen, og som kan splitte opp vingespissene ved landing. Designet er inspirert av hvithodehavørnen, vist til vesntre.]]
Naturen har gjennom millioner av år med evolusjon utviklet sofistikerte og effektive materialer til forskjellige formål. Vi mennesker har kun eksistert en brøkdel av denne tidsperioden, og på tross av at vi er en av de dyktigste livsformene hva gjelder utvikling av forskjellige redskaper, har vi fortsatt mye å lære av andre organismer. I naturen finnes hundrevis av eksempler på fremgangsmåter, kamuflasje og smarte materialer, som vi bare såvidt har begynt å utforske. Noen eksempler er fly konstruert etter inspirasjon fra fuglers flyteknikk, svømmedrakter designet på samme måte som haihud, og en kamuflasjegel som reflekterer lyset fra omgivelsene, inspirert av blekksprutens evne til å skifte farge.

== Inspirasjon ==
Så og si alle biologiske komposittmaterialer har spesifikke strukturegenskaper på alle lengdeskalaer, fra molekylær, via nanoskopisk og mikroskopisk, til makroskopisk. Innen nanoteknologi er det spesielt interessant å utforske hvordan naturen har utviklet materialer på mikro- og nanoskala for å få dem best mulig egnet til deres bruk.

Mange organismer har bruk for harde og slitesterke materialer. For mennesker og andre dyr er det viktig å ha sterke tenner og skjelett, for mindre organismer er det viktig med harde skall for å beskytte de bløte delene. Et eksempel på dette er forskjellige skjell, som bygger skallet sitt ved hjelp av nanostrukturerte aragonitt(CaC03, kanskje bedre kjent som kritt)-plater omgitt av lag med elastiske biopolymerer som kitin, lustrin og andre proteiner. Denne oppbygningen av materialet gjør det 3000 ganger sterkere enn rent aragonitt, og det er denne enorme forskjellen som gjør at forskere i lang tid har prøvd å lære mer om oppbygningen. Håpet må være at vi innen en stadig minkende tidshorisont kan bruke denne kunnskapen til å masseprodusere sterkere og lettere stoffer enn tidligere.

== Utfordring ved bruk av nanobyggestener ==
Nanobyggestener er hver for seg tilnærmet ideelle materialer, med høy strekkstyrke og Young's modulus. Dessverre er det ikke slik at man kan hive sammen en haug av nanopartikler, og oppnå et materiale i bulk med egenskaper lik summen av partiklene det er satt sammen av. Det har vist seg at polymerer styrket med nanomaterialer har langt dårligere egenskaper enn de enkelte byggestenene hver for seg. Unntaket er hvis volumprosenten av det styrkende nanomaterialet er lav. Dette kan antakeligvis forklares ved viktigheten av struktur i komposittmaterialet. Hvis man bruker en høy volumprosent av nanopartikler er det vanskelig å kontrollere strukturen, spesielt fordi partiklene har en tendens til å aggregere og danne bulk materiale. Det er ønskelig at nanoelementene i komposittmaterialet rangerer seg på en ordnet måte, uten å klumpe seg sammen, da dette maksimerer kontaktflaten mellom nanopartikler og polymer.

En annen utfordring er selve produksjonen. Det er svært vanskelig å kontrollere oppførselen til et materiale på nanoskala. Det finnes muligheter for å plassere en og en partikkel f.eks med en AFM spiss, men hvis produksjon skal foregå på litt større skala må man ty til selvorganisering. For å oppnå ønsket resultat ved selvorganisering trengs inngående kunnskap om nanomaterialets fysiske og kjemiske egenskaper.

== Oppbygningen av skjellet ==
[[Bilde:nacreAFMPC.jpg|left|thumb|250px|Oppbygningen av Abalonskjellet, med polygonformede biokrystaller omggitt av proteiner. Bilde tatt med AFM og fasekontrast. [1]]]

''Haliotis Rufescens'' (Rød Abalon, Regnbuestein) er en av de sterkeste skjellene hva gjelder fysiske egenskaper. Innsiden har et regnbuefarget utseende, litt på samme måten som en CD, og denne likheten er det første indisiet på at vi har med en mikro- eller nanostruktur å gjøre. Allerede i 1955 kunne ''Grégoire et al.'' bevise at skjellene består av plater med organiske forbindelser, og ''Weiner'' kunne i 1986 fastslå at det dreide seg om plater på ca. ~5 µm i diameter, og med en tykkelse på 0.5µm, omgitt av et biopolymer. Ved å studere skjellet med AFM, SEM og TEM, har man med tiden kartlagt oppbygningen til materialet; skjellene består polygoniske biomineraler av aragonitt/kritt(CaCO3) separert av tynne (~45nm) lag med elastiske, organiske polymer-lignende proteiner, slik at strukturen på nano-skala ligner makroskopiske murvegger, med krystallene som "mursteiner" og proteinene som "sement". Det finnes to forskjellige strukturformer i skjellene; kolonne- og trappeform.
[[Bilde:nacreSEMcross.jpg|right|thumb|250px|Tversnitt av Abalonskjellet, tatt med SEM. [2]]]
Kolonneform betyr at sentrum av hver krystallplate ligger omtrent rett over sentrum av plata under. Når sentrum i hver plate ligger omtrent over skjøten mellom de underliggende platene, omtrent på samme måte som i murvegger, kalles dette trappeform. Det som fascinerer mest med denne oppbygningen er at hovedbestanddelen (95%) av materialet er kritt, et av naturens mest skjøre materialer (tenk tavlekritt, eggeskall etc). Oppbygningen i skjellene gjør at materialet tåler 3000 ganger så mye som aragonitt i vanlig bulk-form. Den samme strukturen finnes blant annet i ben hos alle større dyr, blant annet hos mennesket. Vår benbygning består på samme måte av plater med mineralet kalsium- hydroksyapatitt, omgitt av et mykere vev av kollagen. Den viktigste forskjellen mellom skjellene og vår benbygning er likevel at våre ben består av relativt sett mindre mineraler i forhold til det mykere biopolymeret (~95% for skjellene og ~45% i vår benbygning). Dette gjør at mens skjellene er hardere enn vår benbygning, tåler vi mer støt, strekk og bøying før materialet gir etter.

(En liten digresjon for de spirituelle (fra Alternativ Helse): "Abalon er god for kjærlighet, romantikk, god mat, og kreativitet (spesielt lyrikk og musikk) (...) Beskytter mot negative energier, spesielt sinne, depresjon, frykt, og tristhet. (...) fører til inspirasjon og kreativitet, spesielt innen skriving. Denne virkningen er sterkest til skapende skriving, som poesi og lyrikk, men er også fin innen forretning eller skoleskriving.")

== Dimensjoner og materialer ==
Biomimikk går ut på å imitere naturen nøyaktig for å bygge opp materialer med de egenskapene man finner i naturen. Bioinspirasjon derimot, handler om å hente inspirasjon fra naturens mange kilder, for så å utvikle videre et syntetisk materiale med helt spesifikke egenskaper, som kan overskride naturen på flere områder. Vi har mange flere materialer å velge mellom enn naturen, kan variere dimensjoner og strukturer på alle lengdeskalaer, og har dermed mange flere variable å utforske for å oppnå akkurat de egenskapene vi er ute etter. Dette er imidlertid lettere sagt en gjort, konstruksjonen av ben eller skjell lignende strukturer har vist seg å være ekstremt vanskelig, spesielt fordi det er meget utfordrene å finne generelle teknikker som fungerer for forskjellige materialer. Vi skal derfor her ta for oss en spesifikk type polymerfilm.

Før valg av materiale gjelder det å få oversikt over hvilke egenskaper den organiske og den uorganiske fasen bør ha, og hvor stor prosentandel man ideelt sett bør bruke av hver av dem.

Hvis man kjenner til styrken til de forskjellige materialene hver for seg samt volumprosenten av plater, kan man regne ut den totale styrken til hybridmaterialet ved følgende formel:
:<math>\sigma_c = \alpha V_p \sigma_p + (1-V_p)\sigma_m</math>
Der <math>\sigma_c</math> er maksimal strekkstyrke (tensile strength) til materialet, <math>V_p</math> er volumprosenten av plater, <math>\sigma_p</math> og <math>\sigma_m</math> er strekkstyrken til henholdsvis platene og polymermaterialet i matrisen rundt platene. <math>\alpha</math> er en funksjon av s, <math>\tau_y</math> og <math>\sigma_p</math>, der s er forholdet mellom lengde og tykkelse på platene (aspektrate) og <math>\tau_y</math> er flyt skjærstyrken (yield shear stength) til polymermatrisen.

[[Bilde:Brudd copy.jpg|left|thumb|250px|Den øverste figuren viser hvordan filmen vil knekke hvis <math>s>s_c</math>, mens den nederste figuren illustrerer hvordan materialet kan bli styrket hvis <math>s<s_c</math>, og platene er fleksible i polymermatrisen i stedet for å knekke tvert av ved en påført kraft.]]
Uttrykket for <math>\alpha</math> avhenger av s, aspektraten til platene. Hvis s er høyere enn en kritisk verdi <math>s_c</math>, vil hybridmaterialet knekke tvert av ved en viss påført kraft. I dette tilfellet uttrykkes <math>\alpha</math> på følgende måte:
:<math>\alpha = 1-\frac{\sigma_p}{2\tau_y s}</math>

Hvis s derimot er mindre enn den kritiske verdien <math>s_c</math>, vil platene være fleksible i polymermatrisen når en kraft påføres, og det skal mye mer til før materialet går helt i stykker. I dette tilfellet uttrykkes <math>\alpha</math> som følger:
:<math>\alpha = \frac{\tau_y s}{2\sigma_p}</math>

Den ønskelige situasjonen er sistnevnte, der <math>s<s_c</math>. For å oppnå maksimal styrke på alle måter bør s være nært oppunder <math>s_c</math>.

<math>s_c</math> er en funksjon av <math>\sigma_p</math> og <math>\tau_y</math>: <math>s_c = \frac{\sigma_p}{\tau_y}</math>

Naturen har begrenset med materialer å velge mellom. Nacre er for eksempel bygget opp av aragonittplater i et organisk materiale, og <math>s_c</math> befinner seg da et sted mellom 9 og 12,5, noe som er en relativt lav verdi. Aragonitt har en <math>\sigma_p</math> verdi på mellom 360 og 500 MPa, mens syntetiske uorganiske plater kan ha <math>\sigma_p</math> verdier mellom 2 og 5 GPa. Dette gir rom for å bruke plater med en merkbart høyere aspektrate, uten å overskride den kritiske verdien <math>s_c</math>.

Volumprosenten av uorganiske plater har mye å si for filmens egenskaper. For få plater gir et materiale som tåler mye deformering før det ødelegges, men som til gjengjeld er mykt og lite beskyttende. For mange plater gjør materialet hardt og stivt, men da blir det også skjørt og følsomt for sprekker. Hvis volumprosenten er altfor høy vil dessuten ikke platene organisere seg i en ordnet struktur som gir de egenskapene vi er ute etter. Her ønskes et materiale som både er hardt og fleksibelt.

[[Bilde:volumprosent.jpg|center|thumb|800px|Figur A, B og C inneholder henholdsvis 5, 11 og 60 vol% <math>Al_2O_3</math> plater. Man ser at ved 60 vol% blir strukturen uordnet og hullete, mens platene beholder sin struktur for vol% lavere enn 20. Lengdeskalaen på bildene er henholdsvis 10, 5 og 2µm.]]

[[Bilde:stress vs strain.jpg|right|thumb|300px|Denne figuren viser hvordan komposittmaterialet tåler mer og mer påført kraft før det deformeres ettersom volumprosenten av plater økes fra null og opp imot 20]]
Bonderer ''et al.'' (ref: bioinspired artikkelen) valgte å lage en forsterket polymerfilm med 15 vol% aluminiumoksidplater i en matrise av kitosan. Aluminiumsplatene har en estimert strekkstyrke <math>\sigma_p</math> på 2 GPa (der aragonitt til sammenligning har en strekkstyrke mellom 360 og 500 MPa), og kitosan har en flyt skjærstyrke på ca 40MPa. Dette gir en kritisk verdi <math>s_c</math> på omtrent 50, noe som er mye høyere enn hva man finner i skjellstrukturer i naturen (<math>9<s_c<12,5</math> for nacre). Man kan dermed øke aspektraten (s) og fortsatt beholde en fleksibel oppførsel ved påført kraft, noe som gjør at materialet tåler mer. I dette eksempelet valgte forskerne en aspektrate på 40, og plater med en tykkelse på ca 200nm. Tykkelsen er på samme nivå som platene funnet i nacre, men i og med at aspektraten er høyere kan platene være lengre, og dette øker effektiviteten av kraftskifting (load transfer) til de uorganiske platene. Volumprosenten ble satt til 15 på grunnlag av observasjonene vist i figur___, der man ser at volumprosenter over 20 gir materialet en hullete og dårlig struktur. I tillegg ble dette valget basert på observasjoner av hvor mye materialet deformeres som følger av påført kraft, som vist i figur__.

Podsiadlo og hans kolleger har prøvd seg med montmorillonitt (MTM) leirplater i en matrise av polyvinylalkohol (PVA). De har fokusert på kjemien i grensesnittet mellom platene og polymermatrisen for å maksimere kraftoverføring til den sterkere uorganiske fasen.

== Produksjon ==
=== Metoder ===
Som nevnt tidligere finnes det ingen enkel og generell oppskrift på hvordan man kan produsere disse harde og sterke materialene. Ethvert materiale har spesifikke egenskaper, og det er ofte åpent for å anvende en ny teknikk som kun fungerer for et gitt materiale. Etter mye forskning, prøving og feiling, har man likevel kommet fram til noen fabrikasjonsmetoder som er mer generelle enn andre. Disse kan deles opp i følgende fire kategorier:
*'''Selvorganisering og "bottom up"'''
Denne metoden er nyttig i produksjonen av harde materialer, og drar nytte av visse elementers evne til å adsorbere og selvorganisere på en overflate.
*'''Elektroforetisk deposisjon'''
Denne metoden baserer seg på at ladde partikler selvorganiserer under påvirkning av et elektrisk felt. Ladde nanopartikler blandes i en suspensjon, og ved å sette på et eksternt elektrisk felt vil disse migrere til og feste seg på elektroden.
*'''Lag på lag metoden'''
Dette er en enkel metode for å produsere tynne filmer, gjerne med alternerende organisk-uorganisk fase. Et ladd substrat dyppes annenhver gang i motsatt ladde løsninger av polyelektrolytter.
*'''Templat inhibering'''

=== Anvendte teknikker ===
Noen av ovennevnte fabrikasjonsmetoder innebærer bruken av teknikker som krever en kort forklaring:

*'''Dip coating: Dypp-belegging'''
[[Bilde:Dip coating.gif|left|thumb|300px|De tre trinnene i dypp-beleggingsprosessen]]
Som det fremkommer av navnet beskriver dette en metode for å belegge noe med et tynt lag av noe annet. Vanligvis deles prosessen inn i fire deler: Først senkes gjenstanden som skal belegges ned i et beleggingsmateriale med konstant hastighet. Deretter lar man gjenstanden hvile i løsningen av beleggingsmateriale, slik at det skal få tid til å feste seg på overflaten. Etter en gitt tid trekkes gjenstanden opp igjen av løsningen, fortsatt med konstant hastighet for å unngå ujevnheter i filmen som blir lagt igjen på overflaten. Til slutt må filmen tørkes, slik at kun materialet som filmen skal bestå av er igjen på overflaten. Dette skjer oftest ved at løsning fordamper.
Det som i hovedsak bestemmer tykkelsen på filmen er hastigheten gjenstanden blir trukket opp igjen fra løsningen med. Jo høyere hastighet, jo tykkere film.

*'''Spin coating: Rotasjonsbelegging'''
[[Bilde:spincoat.jpg|right|thumb|300px|Prosessen i spin-coating og en representasjon av tykkelsen på laget som følge av rotasjonshastighet]]
Dette beskriver en annen teknikk for å belegge noe med en tynn film. Rotasjonsbelegging består i hovedsak av tre trinn: Påføring, rotasjon og tørking. Først dryppes eller sprayes beleggingsmaterialet, i flytende form, på sentrum av overflaten av gjenstanden som skal belegges. Belegget påføres i overflod i forhold til hva som blir igjen ved slutten av prosessen. Deretter settes gjenstanden inn i en maskin som kan rotere med høy hastighet. Når maskinen roterer vil belegget spres som følger av sentrifugalkraften, og til slutt renne over kanten av overflaten. Hastigheten bestemmer man selv, og avhenger av hvor tykk filmen skal være, og hva slags materiale den består av. Jo høyere vinkelhastighet, jo tynnere film. Vanligvis er løsningen volatil, og fordamper samtidig som gjenstanden roteres. Dette gjør at konsentrasjonen av løsningen også spiller inn på tykkelsen av filmen, der høy konsentrasjon gir en tykkere film enn lav konsentrasjon.
Andre faktorer som spiller inn på tykkelsen og egenskapene til filmen er: Akselerasjon til endelig rotasjonshastighet, rotasjonstid, viskositet til beleggingsvesken, fordampningshastighet, overflatespenning, temperatur, luftfuktighet osv.

*'''Sonication: Lydbehandling'''
Lydbehandling består i å tilføre energi til en prøve ved bruk av lydbølger, vanligvis ultralyd. Den høyfrekvente lyden blir generert elektronisk, og tilføres videre som mekanisk energi til prøven via en metallprobe som oscillerer med høy frekvens. Et såkalt ultralydbad kan også brukes. Når partiklene får høyere energi vil de bevege seg mer, og dette kan utnyttes på flere måter. Intermolekylære bånd kan brytes, noe som kan brukes til å løse opp og blande stoffer svært raskt. Energien tilført kan også utnyttes for å få en kjemisk reaksjon til å gå, til å fjerne oppløst gass fra en væske eller til å starte en krystalliseringsprosess. Innen biologi kan lydbehandling brukes til å ødelegge cellemembraner, for så å frigjøre det som befinner seg inne i cellen. Et mer populært bruksområde er rengjøring, fordi lydbehandling kan brukes til å løsne partikler fra en overflate. Denne typen rengjøring blir ofte brukt på briller og smykker.

=== Fremgangsmåte ===
Flere materialer har blitt prøvd ut for å lage lignende polymerfilmer, men her skal vi se på produksjonen av en film satt sammen av aluminiumsplater og kitosan. Kitosan er en biopolymer som produseres fra råstoffet kitin, som man i Norge hovedsakelig utvinner fra rekeskall.

Hovedidéen bak produksjonsprosessen er at man skal legge aluminiumsplater og kitosan lagvis oppå hverandre, inntil man oppnår en film med en tykkelse på mindre enn noen titalls mikrometer. Hvert lag må altså være svært tynt, og aluminiumsplatene må ikke ligge klumpet oppå hverandre.

På grunn av sin lave størrelse kan aluminiumsplatene ses på som kolloidale partikler, og har evnen til å adsorbere på overflaten mellom luft og vann. Det blir utnyttet her. For å lette adsorpsjonen blir først noe hydrofobe silankjeder (aminopropyltriethoxysilane, ATES) festet på den ene siden av aluminiumsplatene. En silankjede kan ses på som ekvivalent til et alkan, der karbonet er byttet ut med silisium. Festeprosessen blir gjort ved å tilsette plater i en løsning av ATES, løsningen lydbehandles så i fem minutter og blandes i 30 min ved 40graderC. Platene blir så vasket med etanol ved hjelp av sentrifugering. Silankjedene som festes på aluminiumsplatene har en aminogruppe på enden, som senere er ment å danne hydrogenbånd med oksygenet i kitosan.

For å danne en tett og homogen langmuirfilm av plater på vannoverflaten lages først en suspensjon av plater i etanol. Suspensjonen består av 1 vol% plater. Denne løsningen blir så dryppet på en vannoverflate, og videre behandlet i 15-30 min med lydbehandling. I løpet av lydbehandlingen dannes også elektriske dobbeltlag mellom de likt ladde aluminiumsplatene, og frastøtningskreftene mellom dem bidrar til bedre struktur i monolaget.

Monolaget blir så overført til en glassplate ved bruk av dypp-belegging og tørking ved 50graderC. Neste steg er å belegge dette igjen med et tynt lag av kitosan, noe som blir gjort ved rotasjonsbelegging. Beleggingsløsningen blir laget ved å la kitosan ligge i en 0,34 M løsning av eddiksyre i minst 24 timer. Eddiksyren er ment å protonere kitosan makromolekylene og amingruppene på enden av silankjedene, for å lette dannelsen av hydrogenbond mellom den organiske og uorganiske fasen. Rotasjon utføres i 40 sekunder med en hastighet på 2000 rpm, hvorpå kitosanlaget tørkes ved 50graderC. Tykkelsen av polymerlaget kan bestemmes ved å endre konsentrasjonen av kitosan i beleggingsløsningen.

Disse trinnene blir så gjentatt inntil ønsket tykkelse på filmen er oppnådd, noe som vanligvis tilsvarer mellom 8 og 10 lag av plater. Når filmen er ferdig fjernes den fra glassplaten med et barberblad.
 

==Andre prosjekter på området==
Ved University of California bruker man en annen innfallsvinkel og bruker kunnskapen om skjellenes holdbarhet til å lage sterkere metallegeringer. Man legger lagvis tynne plater av Titan og Aluminium oppå hverandre på samme måte som krittplatene i skjellet, adskilt av en myk Titan-legering, som tar rollen som det myke vevet rundt platene. Mange produsenter innen spesielt flybransjen ser på dette som en god erstatning for materialet som i dag brukes i flykroppen, siden det gir et mye sterkere materiale per vekt enn i dagens fly. Materialet i seg selv er sterkere enn murstein, og den største fordelen er at eventuelle sprekkdannelser sprer seg i materialet heller enn at materialet knekker på et bestemt sted. Disse egenskapene gjør at materialet også kunne brukes som lett pansring i militære sammenhenger.

==Applikasjoner==
* Biologiske eller syntetiske nacre-lignende materialer har evnen til å integrere seg i benstrukturer, og kan dermed brukes innen biomedisin, spesielt innen ortopedi og tannbehandling.
* Applikasjoner for sterke polymerer; Mer bruk av polymerer som erstatning for korroderende metaller i bygninger, fly, biler, båter etc., forbruksvarer (strikken som aldri ryker)
* Lettere og mer holdbare keramer

 

==Relevans for nanoteknologer==
* Mikro- og nanostrukturen i materialer kan ha MYE å si for dets fysiske, makroskopiske egenskaper.
* Ved å bruke materialer med forskjellige egenskaper i forskjellige "blandingsforhold" kan man lage materialer som ikke bare tar med seg det beste fra alle bestanddelene, men også øker ytelsen ifht bestanddelene.
* viktig å la seg inspirere av naturens nanostrukturer, men samtidig også slippe seg løs og finne nye materialer og løsninger som er bedre egnet enn det naturen kan få til.
* Kanskje har også naturen enda mer å gå på evolusjonsmessig; det lønner seg å utforske forskjellige variasjoner av oppbygningen.
* Naturen har en viktig fordel; kan vha DNA og RNA å bygge mikro- og nanostrukturer med en utrolig nøyaktighet og nærmest uten feil.
* Man kan lære av tankegangen i dette forsøket; i stedet for å lage mer holdbare keramer, som er formålet med skjellenes oppbygning, bruker man det man har lært fra skjellene til å lage sterkere polymerer for andre formål. Tenk nytt!

== Konklusjon ==
Forskning på naturens sterke materialer har pågått i flere tiår allerede. Vi har funnet mange eksempler på plateforsterkede materialer, spesielt i diverse skjell, ben og tenner, og flere forsøk har blitt gjort på å fabrikkere lignende strukturer. Likevel har vi langt igjen for å kunne måle oss med naturens unike konstruksjonsferdigheter. Ikke bare har vi vanskeligheter med selve produksjonsprosessen, men vi har også en begrenset forståelse av den komplekse og hierarkiske strukturen som finnes i naturens materialer. Når det gjelder plateforsterkede polymerfilmer har vi klart å lage en lignende struktur av plater organisert i en polymermatrise, men det finnes andre aspekter og høyere ordens strukturelementer vi enda ikke har utforsket. Eksempler hentet fra strukturen i forskjellige skjell er vist i figuren under:

[[Bilde:seashells.gif|center|thumb|350px|A: Tverrsnitt som viser strukturen av et rødt California Abalone skjell. B: SEM bilde av grensesnittet mellom kalsitt og nacre i et Trochus Niloticus skjell. C: Kunstig farget SEM bilde av en lag på lag spiralstruktur i T. Niloticus nacre. D: Venstre: AFM bilde av nanopartikler på overflaten av en separat nacre-plate fra et rødt California Abalone skjell. Høyre: Skjematisk fremstilling av hvordan nanopartiklene roteres ved en påført kraft]]

Vi har likevel en stor fordel i forhold til naturen, fordi vi kan velge mellom mange flere konstruksjonsmaterialer. Med dagens halvgode produksjonsmetoder klarer vi allerede å konstruere plateforsterkede polymerfilmer med like gode egenskaper som i naturen på visse områder. Ved videre forståelse av biomaterialer og utvikling av produksjonsmetoder kan man se for seg muligheten for produksjon av helt eksepsjonelle komposittmaterialer en gang i framtiden, som overskrider naturen på alle områder.

== Kilder ==

[1] http://hal.archives-ouvertes.fr/docs/00/09/20/27/PDF/Bourrat-BioMin-2005.pdf 
[2] http://www.biophysik.uni-bremen.de/fritz/research.html 
http://nysgjerrigper.no/Artikler/2005/april/med-naturen-som-fasit 
http://arjournals.annualreviews.org/doi/full/10.1146/annurev.physchem.51.1.601?amp;searchHistoryKey=${searchHistoryKey}&cookieSet=1 
http://www.sciencemag.org/cgi/reprint/318/5847/80.pdf 
(Den spirituelle digresjonen):"http://www.althelse.com/steiner-&-krystaller/1228-abalone.html?showall=1" 
http://www.sciencemag.org/cgi/data/319/5866/1069/DC1/1 
Bioinspired Design and Assembly of Platelet Reinforced Polymer Films, Lorenz J. Bonderer, et al. Science 319, 1069 (2008); DOI: 10.1126/science.1148726
http://www.sciencemag.org/cgi/content/full/sci;319/5866/1053#ref4 
http://www.clean.cise.columbia.edu//process/spintheory.pdf 
http://en.wikipedia.org/wiki/Spin_coating 
http://en.wikipedia.org/wiki/Sonication 
http://en.wikipedia.org/wiki/Cell_disruption 
http://rsta.royalsocietypublishing.org/content/367/1893/1587.full 
http://www.nanowerk.com/spotlight/spotid=2131.php 
http://www.nytimes.com/2005/03/22/science/22abal.html

Bioinspirert design og sammensetting av plateforsterkede polymerfilmer

2009-03-23T11:59:05Z

Eirikgje: /* Applikasjoner */

== Innledning ==
[[Bilde:fuflogfly.jpg|right|thumb|350px|NASA har utviklet et fly som kan endre form og lengde på vingene for minst mulig motstand og turbulens under flygingen, og som kan splitte opp vingespissene ved landing. Designet er inspirert av hvithodehavørnen, vist til vesntre.]]
Naturen har gjennom millioner av år med evolusjon utviklet sofistikerte og effektive materialer til forskjellige formål. Vi mennesker har kun eksistert en brøkdel av denne tidsperioden, og på tross av at vi er en av de dyktigste livsformene hva gjelder utvikling av forskjellige redskaper, har vi fortsatt mye å lære av andre organismer. I naturen finnes hundrevis av eksempler på fremgangsmåter, kamuflasje og smarte materialer, som vi bare såvidt har begynt å utforske. Noen eksempler er fly konstruert etter inspirasjon fra fuglers flyteknikk, svømmedrakter designet på samme måte som haihud, og en kamuflasjegel som reflekterer lyset fra omgivelsene, inspirert av blekksprutens evne til å skifte farge.

== Inspirasjon ==
Så og si alle biologiske komposittmaterialer har spesifikke strukturegenskaper på alle lengdeskalaer, fra molekylær, via nanoskopisk og mikroskopisk, til makroskopisk. Innen nanoteknologi er det spesielt interessant å utforske hvordan naturen har utviklet materialer på mikro- og nanoskala for å få dem best mulig egnet til deres bruk.

Mange organismer har bruk for harde og slitesterke materialer. For mennesker og andre dyr er det viktig å ha sterke tenner og skjelett, for mindre organismer er det viktig med harde skall for å beskytte de bløte delene. Et eksempel på dette er forskjellige skjell, som bygger skallet sitt ved hjelp av nanostrukturerte aragonitt(CaC03, kanskje bedre kjent som kritt)-plater omgitt av lag med elastiske biopolymerer som kitin, lustrin og andre proteiner. Denne oppbygningen av materialet gjør det 3000 ganger sterkere enn rent aragonitt, og det er denne enorme forskjellen som gjør at forskere i lang tid har prøvd å lære mer om oppbygningen. Håpet må være at vi innen en stadig minkende tidshorisont kan bruke denne kunnskapen til å masseprodusere sterkere og lettere stoffer enn tidligere.

== Utfordring ved bruk av nanobyggestener ==
Nanobyggestener er hver for seg tilnærmet ideelle materialer, med høy strekkstyrke og Young's modulus. Dessverre er det ikke slik at man kan hive sammen en haug av nanopartikler, og oppnå et materiale i bulk med egenskaper lik summen av partiklene det er satt sammen av. Det har vist seg at polymerer styrket med nanomaterialer har langt dårligere egenskaper enn de enkelte byggestenene hver for seg. Unntaket er hvis volumprosenten av det styrkende nanomaterialet er lav. Dette kan antakeligvis forklares ved viktigheten av struktur i komposittmaterialet. Hvis man bruker en høy volumprosent av nanopartikler er det vanskelig å kontrollere strukturen, spesielt fordi partiklene har en tendens til å aggregere og danne bulk materiale. Det er ønskelig at nanoelementene i komposittmaterialet rangerer seg på en ordnet måte, uten å klumpe seg sammen, da dette maksimerer kontaktflaten mellom nanopartikler og polymer.

En annen utfordring er selve produksjonen. Det er svært vanskelig å kontrollere oppførselen til et materiale på nanoskala. Det finnes muligheter for å plassere en og en partikkel f.eks med en AFM spiss, men hvis produksjon skal foregå på litt større skala må man ty til selvorganisering. For å oppnå ønsket resultat ved selvorganisering trengs inngående kunnskap om nanomaterialets fysiske og kjemiske egenskaper.

== Oppbygningen av skjellet ==
[[Bilde:nacreAFMPC.jpg|left|thumb|250px|Oppbygningen av Abalonskjellet, med polygonformede biokrystaller omggitt av proteiner. Bilde tatt med AFM og fasekontrast. [1]]]

''Haliotis Rufescens'' (Rød Abalon, Regnbuestein) er en av de sterkeste skjellene hva gjelder fysiske egenskaper. Innsiden har et regnbuefarget utseende, litt på samme måten som en CD, og denne likheten er det første indisiet på at vi har med en mikro- eller nanostruktur å gjøre. Allerede i 1955 kunne ''Grégoire et al.'' bevise at skjellene består av plater med organiske forbindelser, og ''Weiner'' kunne i 1986 fastslå at det dreide seg om plater på ca. ~5 µm i diameter, og med en tykkelse på 0.5µm, omgitt av et biopolymer. Ved å studere skjellet med AFM, SEM og TEM, har man med tiden kartlagt oppbygningen til materialet; skjellene består polygoniske biomineraler av aragonitt/kritt(CaCO3) separert av tynne (~45nm) lag med elastiske, organiske polymer-lignende proteiner, slik at strukturen på nano-skala ligner makroskopiske murvegger, med krystallene som "mursteiner" og proteinene som "sement". Det finnes to forskjellige strukturformer i skjellene; kolonne- og trappeform.
[[Bilde:nacreSEMcross.jpg|right|thumb|250px|Tversnitt av Abalonskjellet, tatt med SEM. [2]]]
Kolonneform betyr at sentrum av hver krystallplate ligger omtrent rett over sentrum av plata under. Når sentrum i hver plate ligger omtrent over skjøten mellom de underliggende platene, omtrent på samme måte som i murvegger, kalles dette trappeform. Det som fascinerer mest med denne oppbygningen er at hovedbestanddelen (95%) av materialet er kritt, et av naturens mest skjøre materialer (tenk tavlekritt, eggeskall etc). Oppbygningen i skjellene gjør at materialet tåler 3000 ganger så mye som aragonitt i vanlig bulk-form. Den samme strukturen finnes blant annet i ben hos alle større dyr, blant annet hos mennesket. Vår benbygning består på samme måte av plater med mineralet kalsium- hydroksyapatitt, omgitt av et mykere vev av kollagen. Den viktigste forskjellen mellom skjellene og vår benbygning er likevel at våre ben består av relativt sett mindre mineraler i forhold til det mykere biopolymeret (~95% for skjellene og ~45% i vår benbygning). Dette gjør at mens skjellene er hardere enn vår benbygning, tåler vi mer støt, strekk og bøying før materialet gir etter.

(En liten digresjon for de spirituelle (fra Alternativ Helse): "Abalon er god for kjærlighet, romantikk, god mat, og kreativitet (spesielt lyrikk og musikk) (...) Beskytter mot negative energier, spesielt sinne, depresjon, frykt, og tristhet. (...) fører til inspirasjon og kreativitet, spesielt innen skriving. Denne virkningen er sterkest til skapende skriving, som poesi og lyrikk, men er også fin innen forretning eller skoleskriving.")

== Dimensjoner og materialer ==
Biomimikk går ut på å imitere naturen nøyaktig for å bygge opp materialer med de egenskapene man finner i naturen. Bioinspirasjon derimot, handler om å hente inspirasjon fra naturens mange kilder, for så å utvikle videre et syntetisk materiale med helt spesifikke egenskaper, som kan overskride naturen på flere områder. Vi har mange flere materialer å velge mellom enn naturen, kan variere dimensjoner og strukturer på alle lengdeskalaer, og har dermed mange flere variable å utforske for å oppnå akkurat de egenskapene vi er ute etter. Dette er imidlertid lettere sagt en gjort, konstruksjonen av ben eller skjell lignende strukturer har vist seg å være ekstremt vanskelig, spesielt fordi det er meget utfordrene å finne generelle teknikker som fungerer for forskjellige materialer. Vi skal derfor her ta for oss en spesifikk type polymerfilm.

Før valg av materiale gjelder det å få oversikt over hvilke egenskaper den organiske og den uorganiske fasen bør ha, og hvor stor prosentandel man ideelt sett bør bruke av hver av dem.

Hvis man kjenner til styrken til de forskjellige materialene hver for seg samt volumprosenten av plater, kan man regne ut den totale styrken til hybridmaterialet ved følgende formel:
:<math>\sigma_c = \alpha V_p \sigma_p + (1-V_p)\sigma_m</math>
Der <math>\sigma_c</math> er maksimal strekkstyrke (tensile strength) til materialet, <math>V_p</math> er volumprosenten av plater, <math>\sigma_p</math> og <math>\sigma_m</math> er strekkstyrken til henholdsvis platene og polymermaterialet i matrisen rundt platene. <math>\alpha</math> er en funksjon av s, <math>\tau_y</math> og <math>\sigma_p</math>, der s er forholdet mellom lengde og tykkelse på platene (aspektrate) og <math>\tau_y</math> er flyt skjærstyrken (yield shear stength) til polymermatrisen.

[[Bilde:Brudd copy.jpg|left|thumb|250px|Den øverste figuren viser hvordan filmen vil knekke hvis <math>s>s_c</math>, mens den nederste figuren illustrerer hvordan materialet kan bli styrket hvis <math>s<s_c</math>, og platene er fleksible i polymermatrisen i stedet for å knekke tvert av ved en påført kraft.]]
Uttrykket for <math>\alpha</math> avhenger av s, aspektraten til platene. Hvis s er høyere enn en kritisk verdi <math>s_c</math>, vil hybridmaterialet knekke tvert av ved en viss påført kraft. I dette tilfellet uttrykkes <math>\alpha</math> på følgende måte:
:<math>\alpha = 1-\frac{\sigma_p}{2\tau_y s}</math>

Hvis s derimot er mindre enn den kritiske verdien <math>s_c</math>, vil platene være fleksible i polymermatrisen når en kraft påføres, og det skal mye mer til før materialet går helt i stykker. I dette tilfellet uttrykkes <math>\alpha</math> som følger:
:<math>\alpha = \frac{\tau_y s}{2\sigma_p}</math>

Den ønskelige situasjonen er sistnevnte, der <math>s<s_c</math>. For å oppnå maksimal styrke på alle måter bør s være nært oppunder <math>s_c</math>.

<math>s_c</math> er en funksjon av <math>\sigma_p</math> og <math>\tau_y</math>: <math>s_c = \frac{\sigma_p}{\tau_y}</math>

Naturen har begrenset med materialer å velge mellom. Nacre er for eksempel bygget opp av aragonittplater i et organisk materiale, og <math>s_c</math> befinner seg da et sted mellom 9 og 12,5, noe som er en relativt lav verdi. Aragonitt har en <math>\sigma_p</math> verdi på mellom 360 og 500 MPa, mens syntetiske uorganiske plater kan ha <math>\sigma_p</math> verdier mellom 2 og 5 GPa. Dette gir rom for å bruke plater med en merkbart høyere aspektrate, uten å overskride den kritiske verdien <math>s_c</math>.

Volumprosenten av uorganiske plater har mye å si for filmens egenskaper. For få plater gir et materiale som tåler mye deformering før det ødelegges, men som til gjengjeld er mykt og lite beskyttende. For mange plater gjør materialet hardt og stivt, men da blir det også skjørt og følsomt for sprekker. Hvis volumprosenten er altfor høy vil dessuten ikke platene organisere seg i en ordnet struktur som gir de egenskapene vi er ute etter. Her ønskes et materiale som både er hardt og fleksibelt.

[[Bilde:volumprosent.jpg|center|thumb|800px|Figur A, B og C inneholder henholdsvis 5, 11 og 60 vol% <math>Al_2O_3</math> plater. Man ser at ved 60 vol% blir strukturen uordnet og hullete, mens platene beholder sin struktur for vol% lavere enn 20. Lengdeskalaen på bildene er henholdsvis 10, 5 og 2µm.]]

[[Bilde:stress vs strain.jpg|right|thumb|300px|Denne figuren viser hvordan komposittmaterialet tåler mer og mer påført kraft før det deformeres ettersom volumprosenten av plater økes fra null og opp imot 20]]
Bonderer ''et al.'' (ref: bioinspired artikkelen) valgte å lage en forsterket polymerfilm med 15 vol% aluminiumoksidplater i en matrise av kitosan. Aluminiumsplatene har en estimert strekkstyrke <math>\sigma_p</math> på 2 GPa (der aragonitt til sammenligning har en strekkstyrke mellom 360 og 500 MPa), og kitosan har en flyt skjærstyrke på ca 40MPa. Dette gir en kritisk verdi <math>s_c</math> på omtrent 50, noe som er mye høyere enn hva man finner i skjellstrukturer i naturen (<math>9<s_c<12,5</math> for nacre). Man kan dermed øke aspektraten (s) og fortsatt beholde en fleksibel oppførsel ved påført kraft, noe som gjør at materialet tåler mer. I dette eksempelet valgte forskerne en aspektrate på 40, og plater med en tykkelse på ca 200nm. Tykkelsen er på samme nivå som platene funnet i nacre, men i og med at aspektraten er høyere kan platene være lengre, og dette øker effektiviteten av kraftskifting (load transfer) til de uorganiske platene. Volumprosenten ble satt til 15 på grunnlag av observasjonene vist i figur___, der man ser at volumprosenter over 20 gir materialet en hullete og dårlig struktur. I tillegg ble dette valget basert på observasjoner av hvor mye materialet deformeres som følger av påført kraft, som vist i figur__.

Podsiadlo og hans kolleger har prøvd seg med montmorillonitt (MTM) leirplater i en matrise av polyvinylalkohol (PVA). De har fokusert på kjemien i grensesnittet mellom platene og polymermatrisen for å maksimere kraftoverføring til den sterkere uorganiske fasen.

== Produksjon ==
=== Metoder ===
Som nevnt tidligere finnes det ingen enkel og generell oppskrift på hvordan man kan produsere disse harde og sterke materialene. Ethvert materiale har spesifikke egenskaper, og det er ofte åpent for å anvende en ny teknikk som kun fungerer for et gitt materiale. Etter mye forskning, prøving og feiling, har man likevel kommet fram til noen fabrikasjonsmetoder som er mer generelle enn andre. Disse kan deles opp i følgende fire kategorier:
*'''Selvorganisering og "bottom up"'''
Denne metoden er nyttig i produksjonen av harde materialer, og drar nytte av visse elementers evne til å adsorbere og selvorganisere på en overflate.
*'''Elektroforetisk deposisjon'''
Denne metoden baserer seg på at ladde partikler selvorganiserer under påvirkning av et elektrisk felt. Ladde nanopartikler blandes i en suspensjon, og ved å sette på et eksternt elektrisk felt vil disse migrere til og feste seg på elektroden.
*'''Lag på lag metoden'''
Dette er en enkel metode for å produsere tynne filmer, gjerne med alternerende organisk-uorganisk fase. Et ladd substrat dyppes annenhver gang i motsatt ladde løsninger av polyelektrolytter.
*'''Templat inhibering'''

=== Anvendte teknikker ===
Noen av ovennevnte fabrikasjonsmetoder innebærer bruken av teknikker som krever en kort forklaring:

*'''Dip coating: Dypp-belegging'''
[[Bilde:Dip coating.gif|left|thumb|300px|De tre trinnene i dypp-beleggingsprosessen]]
Som det fremkommer av navnet beskriver dette en metode for å belegge noe med et tynt lag av noe annet. Vanligvis deles prosessen inn i fire deler: Først senkes gjenstanden som skal belegges ned i et beleggingsmateriale med konstant hastighet. Deretter lar man gjenstanden hvile i løsningen av beleggingsmateriale, slik at det skal få tid til å feste seg på overflaten. Etter en gitt tid trekkes gjenstanden opp igjen av løsningen, fortsatt med konstant hastighet for å unngå ujevnheter i filmen som blir lagt igjen på overflaten. Til slutt må filmen tørkes, slik at kun materialet som filmen skal bestå av er igjen på overflaten. Dette skjer oftest ved at løsning fordamper.
Det som i hovedsak bestemmer tykkelsen på filmen er hastigheten gjenstanden blir trukket opp igjen fra løsningen med. Jo høyere hastighet, jo tykkere film.

*'''Spin coating: Rotasjonsbelegging'''
[[Bilde:spincoat.jpg|right|thumb|300px|Prosessen i spin-coating og en representasjon av tykkelsen på laget som følge av rotasjonshastighet]]
Dette beskriver en annen teknikk for å belegge noe med en tynn film. Rotasjonsbelegging består i hovedsak av tre trinn: Påføring, rotasjon og tørking. Først dryppes eller sprayes beleggingsmaterialet, i flytende form, på sentrum av overflaten av gjenstanden som skal belegges. Belegget påføres i overflod i forhold til hva som blir igjen ved slutten av prosessen. Deretter settes gjenstanden inn i en maskin som kan rotere med høy hastighet. Når maskinen roterer vil belegget spres som følger av sentrifugalkraften, og til slutt renne over kanten av overflaten. Hastigheten bestemmer man selv, og avhenger av hvor tykk filmen skal være, og hva slags materiale den består av. Jo høyere vinkelhastighet, jo tynnere film. Vanligvis er løsningen volatil, og fordamper samtidig som gjenstanden roteres. Dette gjør at konsentrasjonen av løsningen også spiller inn på tykkelsen av filmen, der høy konsentrasjon gir en tykkere film enn lav konsentrasjon.
Andre faktorer som spiller inn på tykkelsen og egenskapene til filmen er: Akselerasjon til endelig rotasjonshastighet, rotasjonstid, viskositet til beleggingsvesken, fordampningshastighet, overflatespenning, temperatur, luftfuktighet osv.

*'''Sonication: Lydbehandling'''
Lydbehandling består i å tilføre energi til en prøve ved bruk av lydbølger, vanligvis ultralyd. Den høyfrekvente lyden blir generert elektronisk, og tilføres videre som mekanisk energi til prøven via en metallprobe som oscillerer med høy frekvens. Et såkalt ultralydbad kan også brukes. Når partiklene får høyere energi vil de bevege seg mer, og dette kan utnyttes på flere måter. Intermolekylære bånd kan brytes, noe som kan brukes til å løse opp og blande stoffer svært raskt. Energien tilført kan også utnyttes for å få en kjemisk reaksjon til å gå, til å fjerne oppløst gass fra en væske eller til å starte en krystalliseringsprosess. Innen biologi kan lydbehandling brukes til å ødelegge cellemembraner, for så å frigjøre det som befinner seg inne i cellen. Et mer populært bruksområde er rengjøring, fordi lydbehandling kan brukes til å løsne partikler fra en overflate. Denne typen rengjøring blir ofte brukt på briller og smykker.

=== Fremgangsmåte ===
Flere materialer har blitt prøvd ut for å lage lignende polymerfilmer, men her skal vi se på produksjonen av en film satt sammen av aluminiumsplater og kitosan. Kitosan er en biopolymer som produseres fra råstoffet kitin, som man i Norge hovedsakelig utvinner fra rekeskall.

Hovedidéen bak produksjonsprosessen er at man skal legge aluminiumsplater og kitosan lagvis oppå hverandre, inntil man oppnår en film med en tykkelse på mindre enn noen titalls mikrometer. Hvert lag må altså være svært tynt, og aluminiumsplatene må ikke ligge klumpet oppå hverandre.

På grunn av sin lave størrelse kan aluminiumsplatene ses på som kolloidale partikler, og har evnen til å adsorbere på overflaten mellom luft og vann. Det blir utnyttet her. For å lette adsorpsjonen blir først noe hydrofobe silankjeder (aminopropyltriethoxysilane, ATES) festet på den ene siden av aluminiumsplatene. En silankjede kan ses på som ekvivalent til et alkan, der karbonet er byttet ut med silisium. Festeprosessen blir gjort ved å tilsette plater i en løsning av ATES, løsningen lydbehandles så i fem minutter og blandes i 30 min ved 40graderC. Platene blir så vasket med etanol ved hjelp av sentrifugering. Silankjedene som festes på aluminiumsplatene har en aminogruppe på enden, som senere er ment å danne hydrogenbånd med oksygenet i kitosan.

For å danne en tett og homogen langmuirfilm av plater på vannoverflaten lages først en suspensjon av plater i etanol. Suspensjonen består av 1 vol% plater. Denne løsningen blir så dryppet på en vannoverflate, og videre behandlet i 15-30 min med lydbehandling. I løpet av lydbehandlingen dannes også elektriske dobbeltlag mellom de likt ladde aluminiumsplatene, og frastøtningskreftene mellom dem bidrar til bedre struktur i monolaget.

Monolaget blir så overført til en glassplate ved bruk av dypp-belegging og tørking ved 50graderC. Neste steg er å belegge dette igjen med et tynt lag av kitosan, noe som blir gjort ved rotasjonsbelegging. Beleggingsløsningen blir laget ved å la kitosan ligge i en 0,34 M løsning av eddiksyre i minst 24 timer. Eddiksyren er ment å protonere kitosan makromolekylene og amingruppene på enden av silankjedene, for å lette dannelsen av hydrogenbond mellom den organiske og uorganiske fasen. Rotasjon utføres i 40 sekunder med en hastighet på 2000 rpm, hvorpå kitosanlaget tørkes ved 50graderC. Tykkelsen av polymerlaget kan bestemmes ved å endre konsentrasjonen av kitosan i beleggingsløsningen.

Disse trinnene blir så gjentatt inntil ønsket tykkelse på filmen er oppnådd, noe som vanligvis tilsvarer mellom 8 og 10 lag av plater. Når filmen er ferdig fjernes den fra glassplaten med et barberblad.
 

==Andre prosjekter på området==
Ved University of California bruker man en annen innfallsvinkel og bruker kunnskapen om skjellenes holdbarhet til å lage sterkere metallegeringer. Man legger lagvis tynne plater av Titan og Aluminium oppå hverandre på samme måte som krittplatene i skjellet, adskilt av en myk Titan-legering, som tar rollen som det myke vevet rundt platene. Mange produsenter innen spesielt flybransjen ser på dette som en god erstatning for materialet som i dag brukes i flykroppen, siden det gir et mye sterkere materiale per vekt enn i dagens fly. Materialet i seg selv er sterkere enn murstein, og den største fordelen er at eventuelle sprekkdannelser sprer seg i materialet heller enn at materialet knekker på et bestemt sted. Disse egenskapene gjør at materialet også kunne brukes som lett pansring i militære sammenhenger.

==Applikasjoner==
* Biologiske eller syntetiske nacre-lignende materialer har evnen til å integrere seg i benstrukturer, og kan dermed brukes innen biomedisin, spesielt innen ortopedi og tannbehandling.
* Applikasjoner for sterke polymerer; Mer bruk av polymerer som erstatning for korroderende metaller i bygninger, fly, biler, båter etc., forbruksvarer (strikken som aldri ryker)
* Lettere og mer holdbare keramer

 

==Relevans for nanoteknologer==
* Mikro- og nanostrukturen i materialer kan ha MYE å si for dets fysiske, makroskopiske egenskaper.
* viktig å la seg inspirere av naturens nanostrukturer, men samtidig også slippe seg løs og finne nye materialer og løsninger som er bedre egnet enn det naturen kan få til.
* Kanskje har også naturen enda mer å gå på evolusjonsmessig; det lønner seg å utforske forskjellige variasjoner av oppbygningen.
* Naturen har en viktig fordel; kan vha DNA og RNA å bygge mikro- og nanostrukturer med en utrolig nøyaktighet og nærmest uten feil.
* Man kan lære av tankegangen i dette forsøket; i stedet for å lage mer holdbare keramer, som er formålet med skjellenes oppbygning, bruker man det man har lært fra skjellene til å lage sterkere polymerer for andre formål. Tenk nytt!

== Konklusjon ==
Forskning på naturens sterke materialer har pågått i flere tiår allerede. Vi har funnet mange eksempler på plateforsterkede materialer, spesielt i diverse skjell, ben og tenner, og flere forsøk har blitt gjort på å fabrikkere lignende strukturer. Likevel har vi langt igjen for å kunne måle oss med naturens unike konstruksjonsferdigheter. Ikke bare har vi vanskeligheter med selve produksjonsprosessen, men vi har også en begrenset forståelse av den komplekse og hierarkiske strukturen som finnes i naturens materialer. Når det gjelder plateforsterkede polymerfilmer har vi klart å lage en lignende struktur av plater organisert i en polymermatrise, men det finnes andre aspekter og høyere ordens strukturelementer vi enda ikke har utforsket. Eksempler hentet fra strukturen i forskjellige skjell er vist i figuren under:

[[Bilde:seashells.gif|center|thumb|350px|A: Tverrsnitt som viser strukturen av et rødt California Abalone skjell. B: SEM bilde av grensesnittet mellom kalsitt og nacre i et Trochus Niloticus skjell. C: Kunstig farget SEM bilde av en lag på lag spiralstruktur i T. Niloticus nacre. D: Venstre: AFM bilde av nanopartikler på overflaten av en separat nacre-plate fra et rødt California Abalone skjell. Høyre: Skjematisk fremstilling av hvordan nanopartiklene roteres ved en påført kraft]]

Vi har likevel en stor fordel i forhold til naturen, fordi vi kan velge mellom mange flere konstruksjonsmaterialer. Med dagens halvgode produksjonsmetoder klarer vi allerede å konstruere plateforsterkede polymerfilmer med like gode egenskaper som i naturen på visse områder. Ved videre forståelse av biomaterialer og utvikling av produksjonsmetoder kan man se for seg muligheten for produksjon av helt eksepsjonelle komposittmaterialer en gang i framtiden, som overskrider naturen på alle områder.

== Kilder ==

[1] http://hal.archives-ouvertes.fr/docs/00/09/20/27/PDF/Bourrat-BioMin-2005.pdf 
[2] http://www.biophysik.uni-bremen.de/fritz/research.html 
http://nysgjerrigper.no/Artikler/2005/april/med-naturen-som-fasit 
http://arjournals.annualreviews.org/doi/full/10.1146/annurev.physchem.51.1.601?amp;searchHistoryKey=${searchHistoryKey}&cookieSet=1 
http://www.sciencemag.org/cgi/reprint/318/5847/80.pdf 
(Den spirituelle digresjonen):"http://www.althelse.com/steiner-&-krystaller/1228-abalone.html?showall=1" 
http://www.sciencemag.org/cgi/data/319/5866/1069/DC1/1 
Bioinspired Design and Assembly of Platelet Reinforced Polymer Films, Lorenz J. Bonderer, et al. Science 319, 1069 (2008); DOI: 10.1126/science.1148726
http://www.sciencemag.org/cgi/content/full/sci;319/5866/1053#ref4 
http://www.clean.cise.columbia.edu//process/spintheory.pdf 
http://en.wikipedia.org/wiki/Spin_coating 
http://en.wikipedia.org/wiki/Sonication 
http://en.wikipedia.org/wiki/Cell_disruption 
http://rsta.royalsocietypublishing.org/content/367/1893/1587.full 
http://www.nanowerk.com/spotlight/spotid=2131.php 
http://www.nytimes.com/2005/03/22/science/22abal.html

Bioinspirert design og sammensetting av plateforsterkede polymerfilmer

2009-03-23T11:49:31Z

Eirikgje: /* Applikasjoner */

== Innledning ==
[[Bilde:fuflogfly.jpg|right|thumb|350px|NASA har utviklet et fly som kan endre form og lengde på vingene for minst mulig motstand og turbulens under flygingen, og som kan splitte opp vingespissene ved landing. Designet er inspirert av hvithodehavørnen, vist til vesntre.]]
Naturen har gjennom millioner av år med evolusjon utviklet sofistikerte og effektive materialer til forskjellige formål. Vi mennesker har kun eksistert en brøkdel av denne tidsperioden, og på tross av at vi er en av de dyktigste livsformene hva gjelder utvikling av forskjellige redskaper, har vi fortsatt mye å lære av andre organismer. I naturen finnes hundrevis av eksempler på fremgangsmåter, kamuflasje og smarte materialer, som vi bare såvidt har begynt å utforske. Noen eksempler er fly konstruert etter inspirasjon fra fuglers flyteknikk, svømmedrakter designet på samme måte som haihud, og en kamuflasjegel som reflekterer lyset fra omgivelsene, inspirert av blekksprutens evne til å skifte farge.

== Inspirasjon ==
Så og si alle biologiske komposittmaterialer har spesifikke strukturegenskaper på alle lengdeskalaer, fra molekylær, via nanoskopisk og mikroskopisk, til makroskopisk. Innen nanoteknologi er det spesielt interessant å utforske hvordan naturen har utviklet materialer på mikro- og nanoskala for å få dem best mulig egnet til deres bruk.

Mange organismer har bruk for harde og slitesterke materialer. For mennesker og andre dyr er det viktig å ha sterke tenner og skjelett, for mindre organismer er det viktig med harde skall for å beskytte de bløte delene. Et eksempel på dette er forskjellige skjell, som bygger skallet sitt ved hjelp av nanostrukturerte aragonitt(CaC03, kanskje bedre kjent som kritt)-plater omgitt av lag med elastiske biopolymerer som kitin, lustrin og andre proteiner. Denne oppbygningen av materialet gjør det 3000 ganger sterkere enn rent aragonitt, og det er denne enorme forskjellen som gjør at forskere i lang tid har prøvd å lære mer om oppbygningen. Håpet må være at vi innen en stadig minkende tidshorisont kan bruke denne kunnskapen til å masseprodusere sterkere og lettere stoffer enn tidligere.

== Utfordring ved bruk av nanobyggestener ==
Nanobyggestener er hver for seg tilnærmet ideelle materialer, med høy strekkstyrke og Young's modulus. Dessverre er det ikke slik at man kan hive sammen en haug av nanopartikler, og oppnå et materiale i bulk med egenskaper lik summen av partiklene det er satt sammen av. Det har vist seg at polymerer styrket med nanomaterialer har langt dårligere egenskaper enn de enkelte byggestenene hver for seg. Unntaket er hvis volumprosenten av det styrkende nanomaterialet er lav. Dette kan antakeligvis forklares ved viktigheten av struktur i komposittmaterialet. Hvis man bruker en høy volumprosent av nanopartikler er det vanskelig å kontrollere strukturen, spesielt fordi partiklene har en tendens til å aggregere og danne bulk materiale. Det er ønskelig at nanoelementene i komposittmaterialet rangerer seg på en ordnet måte, uten å klumpe seg sammen, da dette maksimerer kontaktflaten mellom nanopartikler og polymer.

En annen utfordring er selve produksjonen. Det er svært vanskelig å kontrollere oppførselen til et materiale på nanoskala. Det finnes muligheter for å plassere en og en partikkel f.eks med en AFM spiss, men hvis produksjon skal foregå på litt større skala må man ty til selvorganisering. For å oppnå ønsket resultat ved selvorganisering trengs inngående kunnskap om nanomaterialets fysiske og kjemiske egenskaper.

== Oppbygningen av skjellet ==
[[Bilde:nacreAFMPC.jpg|left|thumb|250px|Oppbygningen av Abalonskjellet, med polygonformede biokrystaller omggitt av proteiner. Bilde tatt med AFM og fasekontrast. [1]]]

''Haliotis Rufescens'' (Rød Abalon, Regnbuestein) er en av de sterkeste skjellene hva gjelder fysiske egenskaper. Innsiden har et regnbuefarget utseende, litt på samme måten som en CD, og denne likheten er det første indisiet på at vi har med en mikro- eller nanostruktur å gjøre. Allerede i 1955 kunne ''Grégoire et al.'' bevise at skjellene består av plater med organiske forbindelser, og ''Weiner'' kunne i 1986 fastslå at det dreide seg om plater på ca. ~5 µm i diameter, og med en tykkelse på 0.5µm, omgitt av et biopolymer. Ved å studere skjellet med AFM, SEM og TEM, har man med tiden kartlagt oppbygningen til materialet; skjellene består polygoniske biomineraler av aragonitt/kritt(CaCO3) separert av tynne (~45nm) lag med elastiske, organiske polymer-lignende proteiner, slik at strukturen på nano-skala ligner makroskopiske murvegger, med krystallene som "mursteiner" og proteinene som "sement". Det finnes to forskjellige strukturformer i skjellene; kolonne- og trappeform.
[[Bilde:nacreSEMcross.jpg|right|thumb|250px|Tversnitt av Abalonskjellet, tatt med SEM. [2]]]
Kolonneform betyr at sentrum av hver krystallplate ligger omtrent rett over sentrum av plata under. Når sentrum i hver plate ligger omtrent over skjøten mellom de underliggende platene, omtrent på samme måte som i murvegger, kalles dette trappeform. Det som fascinerer mest med denne oppbygningen er at hovedbestanddelen (95%) av materialet er kritt, et av naturens mest skjøre materialer (tenk tavlekritt, eggeskall etc). Oppbygningen i skjellene gjør at materialet tåler 3000 ganger så mye som aragonitt i vanlig bulk-form. Den samme strukturen finnes blant annet i ben hos alle større dyr, blant annet hos mennesket. Vår benbygning består på samme måte av plater med mineralet kalsium- hydroksyapatitt, omgitt av et mykere vev av kollagen. Den viktigste forskjellen mellom skjellene og vår benbygning er likevel at våre ben består av relativt sett mindre mineraler i forhold til det mykere biopolymeret (~95% for skjellene og ~45% i vår benbygning). Dette gjør at mens skjellene er hardere enn vår benbygning, tåler vi mer støt, strekk og bøying før materialet gir etter.

(En liten digresjon for de spirituelle (fra Alternativ Helse): "Abalon er god for kjærlighet, romantikk, god mat, og kreativitet (spesielt lyrikk og musikk) (...) Beskytter mot negative energier, spesielt sinne, depresjon, frykt, og tristhet. (...) fører til inspirasjon og kreativitet, spesielt innen skriving. Denne virkningen er sterkest til skapende skriving, som poesi og lyrikk, men er også fin innen forretning eller skoleskriving.")

== Dimensjoner og materialer ==
Biomimikk går ut på å imitere naturen nøyaktig for å bygge opp materialer med de egenskapene man finner i naturen. Bioinspirasjon derimot, handler om å hente inspirasjon fra naturens mange kilder, for så å utvikle videre et syntetisk materiale med helt spesifikke egenskaper, som kan overskride naturen på flere områder. Vi har mange flere materialer å velge mellom enn naturen, kan variere dimensjoner og strukturer på alle lengdeskalaer, og har dermed mange flere variable å utforske for å oppnå akkurat de egenskapene vi er ute etter. Dette er imidlertid lettere sagt en gjort, konstruksjonen av ben eller skjell lignende strukturer har vist seg å være ekstremt vanskelig, spesielt fordi det er meget utfordrene å finne generelle teknikker som fungerer for forskjellige materialer. Vi skal derfor her ta for oss en spesifikk type polymerfilm.

Før valg av materiale gjelder det å få oversikt over hvilke egenskaper den organiske og den uorganiske fasen bør ha, og hvor stor prosentandel man ideelt sett bør bruke av hver av dem.

Hvis man kjenner til styrken til de forskjellige materialene hver for seg samt volumprosenten av plater, kan man regne ut den totale styrken til hybridmaterialet ved følgende formel:
:<math>\sigma_c = \alpha V_p \sigma_p + (1-V_p)\sigma_m</math>
Der <math>\sigma_c</math> er maksimal strekkstyrke (tensile strength) til materialet, <math>V_p</math> er volumprosenten av plater, <math>\sigma_p</math> og <math>\sigma_m</math> er strekkstyrken til henholdsvis platene og polymermaterialet i matrisen rundt platene. <math>\alpha</math> er en funksjon av s, <math>\tau_y</math> og <math>\sigma_p</math>, der s er forholdet mellom lengde og tykkelse på platene (aspektrate) og <math>\tau_y</math> er flyt skjærstyrken (yield shear stength) til polymermatrisen.

[[Bilde:Brudd copy.jpg|left|thumb|250px|Den øverste figuren viser hvordan filmen vil knekke hvis <math>s>s_c</math>, mens den nederste figuren illustrerer hvordan materialet kan bli styrket hvis <math>s<s_c</math>, og platene er fleksible i polymermatrisen i stedet for å knekke tvert av ved en påført kraft.]]
Uttrykket for <math>\alpha</math> avhenger av s, aspektraten til platene. Hvis s er høyere enn en kritisk verdi <math>s_c</math>, vil hybridmaterialet knekke tvert av ved en viss påført kraft. I dette tilfellet uttrykkes <math>\alpha</math> på følgende måte:
:<math>\alpha = 1-\frac{\sigma_p}{2\tau_y s}</math>

Hvis s derimot er mindre enn den kritiske verdien <math>s_c</math>, vil platene være fleksible i polymermatrisen når en kraft påføres, og det skal mye mer til før materialet går helt i stykker. I dette tilfellet uttrykkes <math>\alpha</math> som følger:
:<math>\alpha = \frac{\tau_y s}{2\sigma_p}</math>

Den ønskelige situasjonen er sistnevnte, der <math>s<s_c</math>. For å oppnå maksimal styrke på alle måter bør s være nært oppunder <math>s_c</math>.

<math>s_c</math> er en funksjon av <math>\sigma_p</math> og <math>\tau_y</math>: <math>s_c = \frac{\sigma_p}{\tau_y}</math>

Naturen har begrenset med materialer å velge mellom. Nacre er for eksempel bygget opp av aragonittplater i et organisk materiale, og <math>s_c</math> befinner seg da et sted mellom 9 og 12,5, noe som er en relativt lav verdi. Aragonitt har en <math>\sigma_p</math> verdi på mellom 360 og 500 MPa, mens syntetiske uorganiske plater kan ha <math>\sigma_p</math> verdier mellom 2 og 5 GPa. Dette gir rom for å bruke plater med en merkbart høyere aspektrate, uten å overskride den kritiske verdien <math>s_c</math>.

Volumprosenten av uorganiske plater har mye å si for filmens egenskaper. For få plater gir et materiale som tåler mye deformering før det ødelegges, men som til gjengjeld er mykt og lite beskyttende. For mange plater gjør materialet hardt og stivt, men da blir det også skjørt og følsomt for sprekker. Hvis volumprosenten er altfor høy vil dessuten ikke platene organisere seg i en ordnet struktur som gir de egenskapene vi er ute etter. Her ønskes et materiale som både er hardt og fleksibelt.

[[Bilde:volumprosent.jpg|center|thumb|800px|Figur A, B og C inneholder henholdsvis 5, 11 og 60 vol% <math>Al_2O_3</math> plater. Man ser at ved 60 vol% blir strukturen uordnet og hullete, mens platene beholder sin struktur for vol% lavere enn 20. Lengdeskalaen på bildene er henholdsvis 10, 5 og 2µm.]]

[[Bilde:stress vs strain.jpg|right|thumb|300px|Denne figuren viser hvordan komposittmaterialet tåler mer og mer påført kraft før det deformeres ettersom volumprosenten av plater økes fra null og opp imot 20]]
Bonderer ''et al.'' (ref: bioinspired artikkelen) valgte å lage en forsterket polymerfilm med 15 vol% aluminiumoksidplater i en matrise av kitosan. Aluminiumsplatene har en estimert strekkstyrke <math>\sigma_p</math> på 2 GPa (der aragonitt til sammenligning har en strekkstyrke mellom 360 og 500 MPa), og kitosan har en flyt skjærstyrke på ca 40MPa. Dette gir en kritisk verdi <math>s_c</math> på omtrent 50, noe som er mye høyere enn hva man finner i skjellstrukturer i naturen (<math>9<s_c<12,5</math> for nacre). Man kan dermed øke aspektraten (s) og fortsatt beholde en fleksibel oppførsel ved påført kraft, noe som gjør at materialet tåler mer. I dette eksempelet valgte forskerne en aspektrate på 40, og plater med en tykkelse på ca 200nm. Tykkelsen er på samme nivå som platene funnet i nacre, men i og med at aspektraten er høyere kan platene være lengre, og dette øker effektiviteten av kraftskifting (load transfer) til de uorganiske platene. Volumprosenten ble satt til 15 på grunnlag av observasjonene vist i figur___, der man ser at volumprosenter over 20 gir materialet en hullete og dårlig struktur. I tillegg ble dette valget basert på observasjoner av hvor mye materialet deformeres som følger av påført kraft, som vist i figur__.

Podsiadlo og hans kolleger har prøvd seg med montmorillonitt (MTM) leirplater i en matrise av polyvinylalkohol (PVA). De har fokusert på kjemien i grensesnittet mellom platene og polymermatrisen for å maksimere kraftoverføring til den sterkere uorganiske fasen.

== Produksjon ==
=== Metoder ===
Som nevnt tidligere finnes det ingen enkel og generell oppskrift på hvordan man kan produsere disse harde og sterke materialene. Ethvert materiale har spesifikke egenskaper, og det er ofte åpent for å anvende en ny teknikk som kun fungerer for et gitt materiale. Etter mye forskning, prøving og feiling, har man likevel kommet fram til noen fabrikasjonsmetoder som er mer generelle enn andre. Disse kan deles opp i følgende fire kategorier:
*'''Selvorganisering og "bottom up"'''
Denne metoden er nyttig i produksjonen av harde materialer, og drar nytte av visse elementers evne til å adsorbere og selvorganisere på en overflate.
*'''Elektroforetisk deposisjon'''
Denne metoden baserer seg på at ladde partikler selvorganiserer under påvirkning av et elektrisk felt. Ladde nanopartikler blandes i en suspensjon, og ved å sette på et eksternt elektrisk felt vil disse migrere til og feste seg på elektroden.
*'''Lag på lag metoden'''
Dette er en enkel metode for å produsere tynne filmer, gjerne med alternerende organisk-uorganisk fase. Et ladd substrat dyppes annenhver gang i motsatt ladde løsninger av polyelektrolytter.
*'''Templat inhibering'''

=== Anvendte teknikker ===
Noen av ovennevnte fabrikasjonsmetoder innebærer bruken av teknikker som krever en kort forklaring:

*'''Dip coating: Dypp-belegging'''
[[Bilde:Dip coating.gif|left|thumb|300px|De tre trinnene i dypp-beleggingsprosessen]]
Som det fremkommer av navnet beskriver dette en metode for å belegge noe med et tynt lag av noe annet. Vanligvis deles prosessen inn i fire deler: Først senkes gjenstanden som skal belegges ned i et beleggingsmateriale med konstant hastighet. Deretter lar man gjenstanden hvile i løsningen av beleggingsmateriale, slik at det skal få tid til å feste seg på overflaten. Etter en gitt tid trekkes gjenstanden opp igjen av løsningen, fortsatt med konstant hastighet for å unngå ujevnheter i filmen som blir lagt igjen på overflaten. Til slutt må filmen tørkes, slik at kun materialet som filmen skal bestå av er igjen på overflaten. Dette skjer oftest ved at løsning fordamper.
Det som i hovedsak bestemmer tykkelsen på filmen er hastigheten gjenstanden blir trukket opp igjen fra løsningen med. Jo høyere hastighet, jo tykkere film.

*'''Spin coating: Rotasjonsbelegging'''
[[Bilde:spincoat.jpg|right|thumb|300px|Prosessen i spin-coating og en representasjon av tykkelsen på laget som følge av rotasjonshastighet]]
Dette beskriver en annen teknikk for å belegge noe med en tynn film. Rotasjonsbelegging består i hovedsak av tre trinn: Påføring, rotasjon og tørking. Først dryppes eller sprayes beleggingsmaterialet, i flytende form, på sentrum av overflaten av gjenstanden som skal belegges. Belegget påføres i overflod i forhold til hva som blir igjen ved slutten av prosessen. Deretter settes gjenstanden inn i en maskin som kan rotere med høy hastighet. Når maskinen roterer vil belegget spres som følger av sentrifugalkraften, og til slutt renne over kanten av overflaten. Hastigheten bestemmer man selv, og avhenger av hvor tykk filmen skal være, og hva slags materiale den består av. Jo høyere vinkelhastighet, jo tynnere film. Vanligvis er løsningen volatil, og fordamper samtidig som gjenstanden roteres. Dette gjør at konsentrasjonen av løsningen også spiller inn på tykkelsen av filmen, der høy konsentrasjon gir en tykkere film enn lav konsentrasjon.
Andre faktorer som spiller inn på tykkelsen og egenskapene til filmen er: Akselerasjon til endelig rotasjonshastighet, rotasjonstid, viskositet til beleggingsvesken, fordampningshastighet, overflatespenning, temperatur, luftfuktighet osv.

*'''Sonication: Lydbehandling'''
Lydbehandling består i å tilføre energi til en prøve ved bruk av lydbølger, vanligvis ultralyd. Den høyfrekvente lyden blir generert elektronisk, og tilføres videre som mekanisk energi til prøven via en metallprobe som oscillerer med høy frekvens. Et såkalt ultralydbad kan også brukes. Når partiklene får høyere energi vil de bevege seg mer, og dette kan utnyttes på flere måter. Intermolekylære bånd kan brytes, noe som kan brukes til å løse opp og blande stoffer svært raskt. Energien tilført kan også utnyttes for å få en kjemisk reaksjon til å gå, til å fjerne oppløst gass fra en væske eller til å starte en krystalliseringsprosess. Innen biologi kan lydbehandling brukes til å ødelegge cellemembraner, for så å frigjøre det som befinner seg inne i cellen. Et mer populært bruksområde er rengjøring, fordi lydbehandling kan brukes til å løsne partikler fra en overflate. Denne typen rengjøring blir ofte brukt på briller og smykker.

=== Fremgangsmåte ===
Flere materialer har blitt prøvd ut for å lage lignende polymerfilmer, men her skal vi se på produksjonen av en film satt sammen av aluminiumsplater og kitosan. Kitosan er en biopolymer som produseres fra råstoffet kitin, som man i Norge hovedsakelig utvinner fra rekeskall.

Hovedidéen bak produksjonsprosessen er at man skal legge aluminiumsplater og kitosan lagvis oppå hverandre, inntil man oppnår en film med en tykkelse på mindre enn noen titalls mikrometer. Hvert lag må altså være svært tynt, og aluminiumsplatene må ikke ligge klumpet oppå hverandre.

På grunn av sin lave størrelse kan aluminiumsplatene ses på som kolloidale partikler, og har evnen til å adsorbere på overflaten mellom luft og vann. Det blir utnyttet her. For å lette adsorpsjonen blir først noe hydrofobe silankjeder (aminopropyltriethoxysilane, ATES) festet på den ene siden av aluminiumsplatene. En silankjede kan ses på som ekvivalent til et alkan, der karbonet er byttet ut med silisium. Festeprosessen blir gjort ved å tilsette plater i en løsning av ATES, løsningen lydbehandles så i fem minutter og blandes i 30 min ved 40graderC. Platene blir så vasket med etanol ved hjelp av sentrifugering. Silankjedene som festes på aluminiumsplatene har en aminogruppe på enden, som senere er ment å danne hydrogenbånd med oksygenet i kitosan.

For å danne en tett og homogen langmuirfilm av plater på vannoverflaten lages først en suspensjon av plater i etanol. Suspensjonen består av 1 vol% plater. Denne løsningen blir så dryppet på en vannoverflate, og videre behandlet i 15-30 min med lydbehandling. I løpet av lydbehandlingen dannes også elektriske dobbeltlag mellom de likt ladde aluminiumsplatene, og frastøtningskreftene mellom dem bidrar til bedre struktur i monolaget.

Monolaget blir så overført til en glassplate ved bruk av dypp-belegging og tørking ved 50graderC. Neste steg er å belegge dette igjen med et tynt lag av kitosan, noe som blir gjort ved rotasjonsbelegging. Beleggingsløsningen blir laget ved å la kitosan ligge i en 0,34 M løsning av eddiksyre i minst 24 timer. Eddiksyren er ment å protonere kitosan makromolekylene og amingruppene på enden av silankjedene, for å lette dannelsen av hydrogenbond mellom den organiske og uorganiske fasen. Rotasjon utføres i 40 sekunder med en hastighet på 2000 rpm, hvorpå kitosanlaget tørkes ved 50graderC. Tykkelsen av polymerlaget kan bestemmes ved å endre konsentrasjonen av kitosan i beleggingsløsningen.

Disse trinnene blir så gjentatt inntil ønsket tykkelse på filmen er oppnådd, noe som vanligvis tilsvarer mellom 8 og 10 lag av plater. Når filmen er ferdig fjernes den fra glassplaten med et barberblad.
 

==Andre prosjekter på området==
Ved University of California bruker man en annen innfallsvinkel og bruker kunnskapen om skjellenes holdbarhet til å lage sterkere metallegeringer. Man legger lagvis tynne plater av Titan og Aluminium oppå hverandre på samme måte som krittplatene i skjellet, adskilt av en myk Titan-legering, som tar rollen som det myke vevet rundt platene. Mange produsenter innen spesielt flybransjen ser på dette som en god erstatning for materialet som i dag brukes i flykroppen, siden det gir et mye sterkere materiale per vekt enn i dagens fly. Materialet i seg selv er sterkere enn murstein, og den største fordelen er at eventuelle sprekkdannelser sprer seg i materialet heller enn at materialet knekker på et bestemt sted. Disse egenskapene gjør at materialet også kunne brukes som lett pansring i militære sammenhenger.

==Applikasjoner==
* Biologiske eller syntetiske nacre-lignende materialer har evnen til å integrere seg i benstrukturer, og kan dermed brukes innen biomedisin, spesielt innen ortopedi og tannbehandling.
* Applikasjoner for sterke polymerer; Mer bruk av polymerer som erstatning for korroderende metaller i bygninger, fly, biler, båter etc., forbruksvarer (strikken som aldri ryker)
* Applikasjoner for lettere og mer holdbare keramer;

 

==Relevans for nanoteknologer==
* Mikro- og nanostrukturen i materialer kan ha MYE å si for dets fysiske, makroskopiske egenskaper.
* viktig å la seg inspirere av naturens nanostrukturer, men samtidig også slippe seg løs og finne nye materialer og løsninger som er bedre egnet enn det naturen kan få til.
* Kanskje har også naturen enda mer å gå på evolusjonsmessig; det lønner seg å utforske forskjellige variasjoner av oppbygningen.
* Naturen har en viktig fordel; kan vha DNA og RNA å bygge mikro- og nanostrukturer med en utrolig nøyaktighet og nærmest uten feil.
* Man kan lære av tankegangen i dette forsøket; i stedet for å lage mer holdbare keramer, som er formålet med skjellenes oppbygning, bruker man det man har lært fra skjellene til å lage sterkere polymerer for andre formål. Tenk nytt!

== Konlusjon ==
Forskning på naturens sterke materialer har pågått i flere tiår allerede. Vi har funnet mange eksempler på plateforsterkede materialer, spesielt i diverse skjell, ben og tenner, og flere forsøk har blitt gjort på å fabrikkere lignende strukturer. Likevel har vi langt igjen for å kunne måle oss med naturens unike konstruksjonsferdigheter. Ikke bare har vi vanskeligheter med selve produksjonsprosessen, men vi har også en begrenset forståelse av den komplekse og hierarkiske strukturen som finnes i naturens materialer. Når det gjelder plateforsterkede polymerfilmer har vi klart å lage en lignende struktur av plater organisert i en polymermatrise, men det finnes andre aspekter og høyere ordens strukturelementer vi enda ikke har utforsket. Eksempler hentet fra strukturen i nacre er vist i figuren under:

Vi har likevel en stor fordel i forhold til naturen, fordi vi kan velge mellom mange flere konstruksjonsmaterialer. Med dagens halvgode produksjonsmetoder klarer vi allerede å konstruere plateforsterkede polymerfilmer med like gode egenskaper som i naturen på visse områder. Ved videre forståelse av biomaterialer og utvikling av produksjonsmetoder kan man se for seg muligheten for produksjon av helt eksepsjonelle komposittmaterialer en gang i framtiden, som overskrider naturen på alle områder.

== Kilder ==

[1] http://hal.archives-ouvertes.fr/docs/00/09/20/27/PDF/Bourrat-BioMin-2005.pdf 
[2] http://www.biophysik.uni-bremen.de/fritz/research.html 
http://nysgjerrigper.no/Artikler/2005/april/med-naturen-som-fasit 
http://arjournals.annualreviews.org/doi/full/10.1146/annurev.physchem.51.1.601?amp;searchHistoryKey=${searchHistoryKey}&cookieSet=1 
http://www.sciencemag.org/cgi/reprint/318/5847/80.pdf 
(Den spirituelle digresjonen):"http://www.althelse.com/steiner-&-krystaller/1228-abalone.html?showall=1" 
http://www.sciencemag.org/cgi/data/319/5866/1069/DC1/1 
Bioinspired Design and Assembly of Platelet Reinforced Polymer Films, Lorenz J. Bonderer, et al. Science 319, 1069 (2008); DOI: 10.1126/science.1148726
http://www.sciencemag.org/cgi/content/full/sci;319/5866/1053#ref4 
http://www.clean.cise.columbia.edu//process/spintheory.pdf 
http://en.wikipedia.org/wiki/Spin_coating 
http://en.wikipedia.org/wiki/Sonication 
http://en.wikipedia.org/wiki/Cell_disruption 
http://rsta.royalsocietypublishing.org/content/367/1893/1587.full 
http://www.nanowerk.com/spotlight/spotid=2131.php 
http://www.nytimes.com/2005/03/22/science/22abal.html

Bioinspirert design og sammensetting av plateforsterkede polymerfilmer

2009-03-23T11:49:02Z

Eirikgje: /* Relevans for nanoteknologer */

== Innledning ==
[[Bilde:fuflogfly.jpg|right|thumb|350px|NASA har utviklet et fly som kan endre form og lengde på vingene for minst mulig motstand og turbulens under flygingen, og som kan splitte opp vingespissene ved landing. Designet er inspirert av hvithodehavørnen, vist til vesntre.]]
Naturen har gjennom millioner av år med evolusjon utviklet sofistikerte og effektive materialer til forskjellige formål. Vi mennesker har kun eksistert en brøkdel av denne tidsperioden, og på tross av at vi er en av de dyktigste livsformene hva gjelder utvikling av forskjellige redskaper, har vi fortsatt mye å lære av andre organismer. I naturen finnes hundrevis av eksempler på fremgangsmåter, kamuflasje og smarte materialer, som vi bare såvidt har begynt å utforske. Noen eksempler er fly konstruert etter inspirasjon fra fuglers flyteknikk, svømmedrakter designet på samme måte som haihud, og en kamuflasjegel som reflekterer lyset fra omgivelsene, inspirert av blekksprutens evne til å skifte farge.

== Inspirasjon ==
Så og si alle biologiske komposittmaterialer har spesifikke strukturegenskaper på alle lengdeskalaer, fra molekylær, via nanoskopisk og mikroskopisk, til makroskopisk. Innen nanoteknologi er det spesielt interessant å utforske hvordan naturen har utviklet materialer på mikro- og nanoskala for å få dem best mulig egnet til deres bruk.

Mange organismer har bruk for harde og slitesterke materialer. For mennesker og andre dyr er det viktig å ha sterke tenner og skjelett, for mindre organismer er det viktig med harde skall for å beskytte de bløte delene. Et eksempel på dette er forskjellige skjell, som bygger skallet sitt ved hjelp av nanostrukturerte aragonitt(CaC03, kanskje bedre kjent som kritt)-plater omgitt av lag med elastiske biopolymerer som kitin, lustrin og andre proteiner. Denne oppbygningen av materialet gjør det 3000 ganger sterkere enn rent aragonitt, og det er denne enorme forskjellen som gjør at forskere i lang tid har prøvd å lære mer om oppbygningen. Håpet må være at vi innen en stadig minkende tidshorisont kan bruke denne kunnskapen til å masseprodusere sterkere og lettere stoffer enn tidligere.

== Utfordring ved bruk av nanobyggestener ==
Nanobyggestener er hver for seg tilnærmet ideelle materialer, med høy strekkstyrke og Young's modulus. Dessverre er det ikke slik at man kan hive sammen en haug av nanopartikler, og oppnå et materiale i bulk med egenskaper lik summen av partiklene det er satt sammen av. Det har vist seg at polymerer styrket med nanomaterialer har langt dårligere egenskaper enn de enkelte byggestenene hver for seg. Unntaket er hvis volumprosenten av det styrkende nanomaterialet er lav. Dette kan antakeligvis forklares ved viktigheten av struktur i komposittmaterialet. Hvis man bruker en høy volumprosent av nanopartikler er det vanskelig å kontrollere strukturen, spesielt fordi partiklene har en tendens til å aggregere og danne bulk materiale. Det er ønskelig at nanoelementene i komposittmaterialet rangerer seg på en ordnet måte, uten å klumpe seg sammen, da dette maksimerer kontaktflaten mellom nanopartikler og polymer.

En annen utfordring er selve produksjonen. Det er svært vanskelig å kontrollere oppførselen til et materiale på nanoskala. Det finnes muligheter for å plassere en og en partikkel f.eks med en AFM spiss, men hvis produksjon skal foregå på litt større skala må man ty til selvorganisering. For å oppnå ønsket resultat ved selvorganisering trengs inngående kunnskap om nanomaterialets fysiske og kjemiske egenskaper.

== Oppbygningen av skjellet ==
[[Bilde:nacreAFMPC.jpg|left|thumb|250px|Oppbygningen av Abalonskjellet, med polygonformede biokrystaller omggitt av proteiner. Bilde tatt med AFM og fasekontrast. [1]]]

''Haliotis Rufescens'' (Rød Abalon, Regnbuestein) er en av de sterkeste skjellene hva gjelder fysiske egenskaper. Innsiden har et regnbuefarget utseende, litt på samme måten som en CD, og denne likheten er det første indisiet på at vi har med en mikro- eller nanostruktur å gjøre. Allerede i 1955 kunne ''Grégoire et al.'' bevise at skjellene består av plater med organiske forbindelser, og ''Weiner'' kunne i 1986 fastslå at det dreide seg om plater på ca. ~5 µm i diameter, og med en tykkelse på 0.5µm, omgitt av et biopolymer. Ved å studere skjellet med AFM, SEM og TEM, har man med tiden kartlagt oppbygningen til materialet; skjellene består polygoniske biomineraler av aragonitt/kritt(CaCO3) separert av tynne (~45nm) lag med elastiske, organiske polymer-lignende proteiner, slik at strukturen på nano-skala ligner makroskopiske murvegger, med krystallene som "mursteiner" og proteinene som "sement". Det finnes to forskjellige strukturformer i skjellene; kolonne- og trappeform.
[[Bilde:nacreSEMcross.jpg|right|thumb|250px|Tversnitt av Abalonskjellet, tatt med SEM. [2]]]
Kolonneform betyr at sentrum av hver krystallplate ligger omtrent rett over sentrum av plata under. Når sentrum i hver plate ligger omtrent over skjøten mellom de underliggende platene, omtrent på samme måte som i murvegger, kalles dette trappeform. Det som fascinerer mest med denne oppbygningen er at hovedbestanddelen (95%) av materialet er kritt, et av naturens mest skjøre materialer (tenk tavlekritt, eggeskall etc). Oppbygningen i skjellene gjør at materialet tåler 3000 ganger så mye som aragonitt i vanlig bulk-form. Den samme strukturen finnes blant annet i ben hos alle større dyr, blant annet hos mennesket. Vår benbygning består på samme måte av plater med mineralet kalsium- hydroksyapatitt, omgitt av et mykere vev av kollagen. Den viktigste forskjellen mellom skjellene og vår benbygning er likevel at våre ben består av relativt sett mindre mineraler i forhold til det mykere biopolymeret (~95% for skjellene og ~45% i vår benbygning). Dette gjør at mens skjellene er hardere enn vår benbygning, tåler vi mer støt, strekk og bøying før materialet gir etter.

(En liten digresjon for de spirituelle (fra Alternativ Helse): "Abalon er god for kjærlighet, romantikk, god mat, og kreativitet (spesielt lyrikk og musikk) (...) Beskytter mot negative energier, spesielt sinne, depresjon, frykt, og tristhet. (...) fører til inspirasjon og kreativitet, spesielt innen skriving. Denne virkningen er sterkest til skapende skriving, som poesi og lyrikk, men er også fin innen forretning eller skoleskriving.")

== Dimensjoner og materialer ==
Biomimikk går ut på å imitere naturen nøyaktig for å bygge opp materialer med de egenskapene man finner i naturen. Bioinspirasjon derimot, handler om å hente inspirasjon fra naturens mange kilder, for så å utvikle videre et syntetisk materiale med helt spesifikke egenskaper, som kan overskride naturen på flere områder. Vi har mange flere materialer å velge mellom enn naturen, kan variere dimensjoner og strukturer på alle lengdeskalaer, og har dermed mange flere variable å utforske for å oppnå akkurat de egenskapene vi er ute etter. Dette er imidlertid lettere sagt en gjort, konstruksjonen av ben eller skjell lignende strukturer har vist seg å være ekstremt vanskelig, spesielt fordi det er meget utfordrene å finne generelle teknikker som fungerer for forskjellige materialer. Vi skal derfor her ta for oss en spesifikk type polymerfilm.

Før valg av materiale gjelder det å få oversikt over hvilke egenskaper den organiske og den uorganiske fasen bør ha, og hvor stor prosentandel man ideelt sett bør bruke av hver av dem.

Hvis man kjenner til styrken til de forskjellige materialene hver for seg samt volumprosenten av plater, kan man regne ut den totale styrken til hybridmaterialet ved følgende formel:
:<math>\sigma_c = \alpha V_p \sigma_p + (1-V_p)\sigma_m</math>
Der <math>\sigma_c</math> er maksimal strekkstyrke (tensile strength) til materialet, <math>V_p</math> er volumprosenten av plater, <math>\sigma_p</math> og <math>\sigma_m</math> er strekkstyrken til henholdsvis platene og polymermaterialet i matrisen rundt platene. <math>\alpha</math> er en funksjon av s, <math>\tau_y</math> og <math>\sigma_p</math>, der s er forholdet mellom lengde og tykkelse på platene (aspektrate) og <math>\tau_y</math> er flyt skjærstyrken (yield shear stength) til polymermatrisen.

[[Bilde:Brudd copy.jpg|left|thumb|250px|Den øverste figuren viser hvordan filmen vil knekke hvis <math>s>s_c</math>, mens den nederste figuren illustrerer hvordan materialet kan bli styrket hvis <math>s<s_c</math>, og platene er fleksible i polymermatrisen i stedet for å knekke tvert av ved en påført kraft.]]
Uttrykket for <math>\alpha</math> avhenger av s, aspektraten til platene. Hvis s er høyere enn en kritisk verdi <math>s_c</math>, vil hybridmaterialet knekke tvert av ved en viss påført kraft. I dette tilfellet uttrykkes <math>\alpha</math> på følgende måte:
:<math>\alpha = 1-\frac{\sigma_p}{2\tau_y s}</math>

Hvis s derimot er mindre enn den kritiske verdien <math>s_c</math>, vil platene være fleksible i polymermatrisen når en kraft påføres, og det skal mye mer til før materialet går helt i stykker. I dette tilfellet uttrykkes <math>\alpha</math> som følger:
:<math>\alpha = \frac{\tau_y s}{2\sigma_p}</math>

Den ønskelige situasjonen er sistnevnte, der <math>s<s_c</math>. For å oppnå maksimal styrke på alle måter bør s være nært oppunder <math>s_c</math>.

<math>s_c</math> er en funksjon av <math>\sigma_p</math> og <math>\tau_y</math>: <math>s_c = \frac{\sigma_p}{\tau_y}</math>

Naturen har begrenset med materialer å velge mellom. Nacre er for eksempel bygget opp av aragonittplater i et organisk materiale, og <math>s_c</math> befinner seg da et sted mellom 9 og 12,5, noe som er en relativt lav verdi. Aragonitt har en <math>\sigma_p</math> verdi på mellom 360 og 500 MPa, mens syntetiske uorganiske plater kan ha <math>\sigma_p</math> verdier mellom 2 og 5 GPa. Dette gir rom for å bruke plater med en merkbart høyere aspektrate, uten å overskride den kritiske verdien <math>s_c</math>.

Volumprosenten av uorganiske plater har mye å si for filmens egenskaper. For få plater gir et materiale som tåler mye deformering før det ødelegges, men som til gjengjeld er mykt og lite beskyttende. For mange plater gjør materialet hardt og stivt, men da blir det også skjørt og følsomt for sprekker. Hvis volumprosenten er altfor høy vil dessuten ikke platene organisere seg i en ordnet struktur som gir de egenskapene vi er ute etter. Her ønskes et materiale som både er hardt og fleksibelt.

[[Bilde:volumprosent.jpg|center|thumb|800px|Figur A, B og C inneholder henholdsvis 5, 11 og 60 vol% <math>Al_2O_3</math> plater. Man ser at ved 60 vol% blir strukturen uordnet og hullete, mens platene beholder sin struktur for vol% lavere enn 20. Lengdeskalaen på bildene er henholdsvis 10, 5 og 2µm.]]

[[Bilde:stress vs strain.jpg|right|thumb|300px|Denne figuren viser hvordan komposittmaterialet tåler mer og mer påført kraft før det deformeres ettersom volumprosenten av plater økes fra null og opp imot 20]]
Bonderer ''et al.'' (ref: bioinspired artikkelen) valgte å lage en forsterket polymerfilm med 15 vol% aluminiumoksidplater i en matrise av kitosan. Aluminiumsplatene har en estimert strekkstyrke <math>\sigma_p</math> på 2 GPa (der aragonitt til sammenligning har en strekkstyrke mellom 360 og 500 MPa), og kitosan har en flyt skjærstyrke på ca 40MPa. Dette gir en kritisk verdi <math>s_c</math> på omtrent 50, noe som er mye høyere enn hva man finner i skjellstrukturer i naturen (<math>9<s_c<12,5</math> for nacre). Man kan dermed øke aspektraten (s) og fortsatt beholde en fleksibel oppførsel ved påført kraft, noe som gjør at materialet tåler mer. I dette eksempelet valgte forskerne en aspektrate på 40, og plater med en tykkelse på ca 200nm. Tykkelsen er på samme nivå som platene funnet i nacre, men i og med at aspektraten er høyere kan platene være lengre, og dette øker effektiviteten av kraftskifting (load transfer) til de uorganiske platene. Volumprosenten ble satt til 15 på grunnlag av observasjonene vist i figur___, der man ser at volumprosenter over 20 gir materialet en hullete og dårlig struktur. I tillegg ble dette valget basert på observasjoner av hvor mye materialet deformeres som følger av påført kraft, som vist i figur__.

Podsiadlo og hans kolleger har prøvd seg med montmorillonitt (MTM) leirplater i en matrise av polyvinylalkohol (PVA). De har fokusert på kjemien i grensesnittet mellom platene og polymermatrisen for å maksimere kraftoverføring til den sterkere uorganiske fasen.

== Produksjon ==
=== Metoder ===
Som nevnt tidligere finnes det ingen enkel og generell oppskrift på hvordan man kan produsere disse harde og sterke materialene. Ethvert materiale har spesifikke egenskaper, og det er ofte åpent for å anvende en ny teknikk som kun fungerer for et gitt materiale. Etter mye forskning, prøving og feiling, har man likevel kommet fram til noen fabrikasjonsmetoder som er mer generelle enn andre. Disse kan deles opp i følgende fire kategorier:
*'''Selvorganisering og "bottom up"'''
Denne metoden er nyttig i produksjonen av harde materialer, og drar nytte av visse elementers evne til å adsorbere og selvorganisere på en overflate.
*'''Elektroforetisk deposisjon'''
Denne metoden baserer seg på at ladde partikler selvorganiserer under påvirkning av et elektrisk felt. Ladde nanopartikler blandes i en suspensjon, og ved å sette på et eksternt elektrisk felt vil disse migrere til og feste seg på elektroden.
*'''Lag på lag metoden'''
Dette er en enkel metode for å produsere tynne filmer, gjerne med alternerende organisk-uorganisk fase. Et ladd substrat dyppes annenhver gang i motsatt ladde løsninger av polyelektrolytter.
*'''Templat inhibering'''

=== Anvendte teknikker ===
Noen av ovennevnte fabrikasjonsmetoder innebærer bruken av teknikker som krever en kort forklaring:

*'''Dip coating: Dypp-belegging'''
[[Bilde:Dip coating.gif|left|thumb|300px|De tre trinnene i dypp-beleggingsprosessen]]
Som det fremkommer av navnet beskriver dette en metode for å belegge noe med et tynt lag av noe annet. Vanligvis deles prosessen inn i fire deler: Først senkes gjenstanden som skal belegges ned i et beleggingsmateriale med konstant hastighet. Deretter lar man gjenstanden hvile i løsningen av beleggingsmateriale, slik at det skal få tid til å feste seg på overflaten. Etter en gitt tid trekkes gjenstanden opp igjen av løsningen, fortsatt med konstant hastighet for å unngå ujevnheter i filmen som blir lagt igjen på overflaten. Til slutt må filmen tørkes, slik at kun materialet som filmen skal bestå av er igjen på overflaten. Dette skjer oftest ved at løsning fordamper.
Det som i hovedsak bestemmer tykkelsen på filmen er hastigheten gjenstanden blir trukket opp igjen fra løsningen med. Jo høyere hastighet, jo tykkere film.

*'''Spin coating: Rotasjonsbelegging'''
[[Bilde:spincoat.jpg|right|thumb|300px|Prosessen i spin-coating og en representasjon av tykkelsen på laget som følge av rotasjonshastighet]]
Dette beskriver en annen teknikk for å belegge noe med en tynn film. Rotasjonsbelegging består i hovedsak av tre trinn: Påføring, rotasjon og tørking. Først dryppes eller sprayes beleggingsmaterialet, i flytende form, på sentrum av overflaten av gjenstanden som skal belegges. Belegget påføres i overflod i forhold til hva som blir igjen ved slutten av prosessen. Deretter settes gjenstanden inn i en maskin som kan rotere med høy hastighet. Når maskinen roterer vil belegget spres som følger av sentrifugalkraften, og til slutt renne over kanten av overflaten. Hastigheten bestemmer man selv, og avhenger av hvor tykk filmen skal være, og hva slags materiale den består av. Jo høyere vinkelhastighet, jo tynnere film. Vanligvis er løsningen volatil, og fordamper samtidig som gjenstanden roteres. Dette gjør at konsentrasjonen av løsningen også spiller inn på tykkelsen av filmen, der høy konsentrasjon gir en tykkere film enn lav konsentrasjon.
Andre faktorer som spiller inn på tykkelsen og egenskapene til filmen er: Akselerasjon til endelig rotasjonshastighet, rotasjonstid, viskositet til beleggingsvesken, fordampningshastighet, overflatespenning, temperatur, luftfuktighet osv.

*'''Sonication: Lydbehandling'''
Lydbehandling består i å tilføre energi til en prøve ved bruk av lydbølger, vanligvis ultralyd. Den høyfrekvente lyden blir generert elektronisk, og tilføres videre som mekanisk energi til prøven via en metallprobe som oscillerer med høy frekvens. Et såkalt ultralydbad kan også brukes. Når partiklene får høyere energi vil de bevege seg mer, og dette kan utnyttes på flere måter. Intermolekylære bånd kan brytes, noe som kan brukes til å løse opp og blande stoffer svært raskt. Energien tilført kan også utnyttes for å få en kjemisk reaksjon til å gå, til å fjerne oppløst gass fra en væske eller til å starte en krystalliseringsprosess. Innen biologi kan lydbehandling brukes til å ødelegge cellemembraner, for så å frigjøre det som befinner seg inne i cellen. Et mer populært bruksområde er rengjøring, fordi lydbehandling kan brukes til å løsne partikler fra en overflate. Denne typen rengjøring blir ofte brukt på briller og smykker.

=== Fremgangsmåte ===
Flere materialer har blitt prøvd ut for å lage lignende polymerfilmer, men her skal vi se på produksjonen av en film satt sammen av aluminiumsplater og kitosan. Kitosan er en biopolymer som produseres fra råstoffet kitin, som man i Norge hovedsakelig utvinner fra rekeskall.

Hovedidéen bak produksjonsprosessen er at man skal legge aluminiumsplater og kitosan lagvis oppå hverandre, inntil man oppnår en film med en tykkelse på mindre enn noen titalls mikrometer. Hvert lag må altså være svært tynt, og aluminiumsplatene må ikke ligge klumpet oppå hverandre.

På grunn av sin lave størrelse kan aluminiumsplatene ses på som kolloidale partikler, og har evnen til å adsorbere på overflaten mellom luft og vann. Det blir utnyttet her. For å lette adsorpsjonen blir først noe hydrofobe silankjeder (aminopropyltriethoxysilane, ATES) festet på den ene siden av aluminiumsplatene. En silankjede kan ses på som ekvivalent til et alkan, der karbonet er byttet ut med silisium. Festeprosessen blir gjort ved å tilsette plater i en løsning av ATES, løsningen lydbehandles så i fem minutter og blandes i 30 min ved 40graderC. Platene blir så vasket med etanol ved hjelp av sentrifugering. Silankjedene som festes på aluminiumsplatene har en aminogruppe på enden, som senere er ment å danne hydrogenbånd med oksygenet i kitosan.

For å danne en tett og homogen langmuirfilm av plater på vannoverflaten lages først en suspensjon av plater i etanol. Suspensjonen består av 1 vol% plater. Denne løsningen blir så dryppet på en vannoverflate, og videre behandlet i 15-30 min med lydbehandling. I løpet av lydbehandlingen dannes også elektriske dobbeltlag mellom de likt ladde aluminiumsplatene, og frastøtningskreftene mellom dem bidrar til bedre struktur i monolaget.

Monolaget blir så overført til en glassplate ved bruk av dypp-belegging og tørking ved 50graderC. Neste steg er å belegge dette igjen med et tynt lag av kitosan, noe som blir gjort ved rotasjonsbelegging. Beleggingsløsningen blir laget ved å la kitosan ligge i en 0,34 M løsning av eddiksyre i minst 24 timer. Eddiksyren er ment å protonere kitosan makromolekylene og amingruppene på enden av silankjedene, for å lette dannelsen av hydrogenbond mellom den organiske og uorganiske fasen. Rotasjon utføres i 40 sekunder med en hastighet på 2000 rpm, hvorpå kitosanlaget tørkes ved 50graderC. Tykkelsen av polymerlaget kan bestemmes ved å endre konsentrasjonen av kitosan i beleggingsløsningen.

Disse trinnene blir så gjentatt inntil ønsket tykkelse på filmen er oppnådd, noe som vanligvis tilsvarer mellom 8 og 10 lag av plater. Når filmen er ferdig fjernes den fra glassplaten med et barberblad.
 

==Andre prosjekter på området==
Ved University of California bruker man en annen innfallsvinkel og bruker kunnskapen om skjellenes holdbarhet til å lage sterkere metallegeringer. Man legger lagvis tynne plater av Titan og Aluminium oppå hverandre på samme måte som krittplatene i skjellet, adskilt av en myk Titan-legering, som tar rollen som det myke vevet rundt platene. Mange produsenter innen spesielt flybransjen ser på dette som en god erstatning for materialet som i dag brukes i flykroppen, siden det gir et mye sterkere materiale per vekt enn i dagens fly. Materialet i seg selv er sterkere enn murstein, og den største fordelen er at eventuelle sprekkdannelser sprer seg i materialet heller enn at materialet knekker på et bestemt sted. Disse egenskapene gjør at materialet også kunne brukes som lett pansring i militære sammenhenger.

==Applikasjoner==
* Biologiske eller syntetiske nacre-lignende materialer har evnen til å integrere seg i benstrukturer, og kan dermed brukes innen biomedisin, spesielt innen ortopedi og tannbehandling.
* Applikasjoner for lsterke polymerer; Mer bruk av polymerer som erstatning for korroderende metaller i bygninger, fly, biler, båter etc., forbruksvarer (strikken som aldri ryker)
* Applikasjoner for lettere og mer holdbare keramer;

 

==Relevans for nanoteknologer==
* Mikro- og nanostrukturen i materialer kan ha MYE å si for dets fysiske, makroskopiske egenskaper.
* viktig å la seg inspirere av naturens nanostrukturer, men samtidig også slippe seg løs og finne nye materialer og løsninger som er bedre egnet enn det naturen kan få til.
* Kanskje har også naturen enda mer å gå på evolusjonsmessig; det lønner seg å utforske forskjellige variasjoner av oppbygningen.
* Naturen har en viktig fordel; kan vha DNA og RNA å bygge mikro- og nanostrukturer med en utrolig nøyaktighet og nærmest uten feil.
* Man kan lære av tankegangen i dette forsøket; i stedet for å lage mer holdbare keramer, som er formålet med skjellenes oppbygning, bruker man det man har lært fra skjellene til å lage sterkere polymerer for andre formål. Tenk nytt!

== Konlusjon ==
Forskning på naturens sterke materialer har pågått i flere tiår allerede. Vi har funnet mange eksempler på plateforsterkede materialer, spesielt i diverse skjell, ben og tenner, og flere forsøk har blitt gjort på å fabrikkere lignende strukturer. Likevel har vi langt igjen for å kunne måle oss med naturens unike konstruksjonsferdigheter. Ikke bare har vi vanskeligheter med selve produksjonsprosessen, men vi har også en begrenset forståelse av den komplekse og hierarkiske strukturen som finnes i naturens materialer. Når det gjelder plateforsterkede polymerfilmer har vi klart å lage en lignende struktur av plater organisert i en polymermatrise, men det finnes andre aspekter og høyere ordens strukturelementer vi enda ikke har utforsket. Eksempler hentet fra strukturen i nacre er vist i figuren under:

Vi har likevel en stor fordel i forhold til naturen, fordi vi kan velge mellom mange flere konstruksjonsmaterialer. Med dagens halvgode produksjonsmetoder klarer vi allerede å konstruere plateforsterkede polymerfilmer med like gode egenskaper som i naturen på visse områder. Ved videre forståelse av biomaterialer og utvikling av produksjonsmetoder kan man se for seg muligheten for produksjon av helt eksepsjonelle komposittmaterialer en gang i framtiden, som overskrider naturen på alle områder.

== Kilder ==

[1] http://hal.archives-ouvertes.fr/docs/00/09/20/27/PDF/Bourrat-BioMin-2005.pdf 
[2] http://www.biophysik.uni-bremen.de/fritz/research.html 
http://nysgjerrigper.no/Artikler/2005/april/med-naturen-som-fasit 
http://arjournals.annualreviews.org/doi/full/10.1146/annurev.physchem.51.1.601?amp;searchHistoryKey=${searchHistoryKey}&cookieSet=1 
http://www.sciencemag.org/cgi/reprint/318/5847/80.pdf 
(Den spirituelle digresjonen):"http://www.althelse.com/steiner-&-krystaller/1228-abalone.html?showall=1" 
http://www.sciencemag.org/cgi/data/319/5866/1069/DC1/1 
Bioinspired Design and Assembly of Platelet Reinforced Polymer Films, Lorenz J. Bonderer, et al. Science 319, 1069 (2008); DOI: 10.1126/science.1148726
http://www.sciencemag.org/cgi/content/full/sci;319/5866/1053#ref4 
http://www.clean.cise.columbia.edu//process/spintheory.pdf 
http://en.wikipedia.org/wiki/Spin_coating 
http://en.wikipedia.org/wiki/Sonication 
http://en.wikipedia.org/wiki/Cell_disruption 
http://rsta.royalsocietypublishing.org/content/367/1893/1587.full 
http://www.nanowerk.com/spotlight/spotid=2131.php 
http://www.nytimes.com/2005/03/22/science/22abal.html

Bioinspirert design og sammensetting av plateforsterkede polymerfilmer

2009-03-23T11:45:32Z

Eirikgje: /* Relevans for nanoteknologer */

== Innledning ==
[[Bilde:fuflogfly.jpg|right|thumb|350px|NASA har utviklet et fly som kan endre form og lengde på vingene for minst mulig motstand og turbulens under flygingen, og som kan splitte opp vingespissene ved landing. Designet er inspirert av hvithodehavørnen, vist til vesntre.]]
Naturen har gjennom millioner av år med evolusjon utviklet sofistikerte og effektive materialer til forskjellige formål. Vi mennesker har kun eksistert en brøkdel av denne tidsperioden, og på tross av at vi er en av de dyktigste livsformene hva gjelder utvikling av forskjellige redskaper, har vi fortsatt mye å lære av andre organismer. I naturen finnes hundrevis av eksempler på fremgangsmåter, kamuflasje og smarte materialer, som vi bare såvidt har begynt å utforske. Noen eksempler er fly konstruert etter inspirasjon fra fuglers flyteknikk, svømmedrakter designet på samme måte som haihud, og en kamuflasjegel som reflekterer lyset fra omgivelsene, inspirert av blekksprutens evne til å skifte farge.

== Inspirasjon ==
Så og si alle biologiske komposittmaterialer har spesifikke strukturegenskaper på alle lengdeskalaer, fra molekylær, via nanoskopisk og mikroskopisk, til makroskopisk. Innen nanoteknologi er det spesielt interessant å utforske hvordan naturen har utviklet materialer på mikro- og nanoskala for å få dem best mulig egnet til deres bruk.

Mange organismer har bruk for harde og slitesterke materialer. For mennesker og andre dyr er det viktig å ha sterke tenner og skjelett, for mindre organismer er det viktig med harde skall for å beskytte de bløte delene. Et eksempel på dette er forskjellige skjell, som bygger skallet sitt ved hjelp av nanostrukturerte aragonitt(CaC03, kanskje bedre kjent som kritt)-plater omgitt av lag med elastiske biopolymerer som kitin, lustrin og andre proteiner. Denne oppbygningen av materialet gjør det 3000 ganger sterkere enn rent aragonitt, og det er denne enorme forskjellen som gjør at forskere i lang tid har prøvd å lære mer om oppbygningen. Håpet må være at vi innen en stadig minkende tidshorisont kan bruke denne kunnskapen til å masseprodusere sterkere og lettere stoffer enn tidligere.

== Utfordring ved bruk av nanobyggestener ==
Nanobyggestener er hver for seg tilnærmet ideelle materialer, med høy strekkstyrke og Young's modulus. Dessverre er det ikke slik at man kan hive sammen en haug av nanopartikler, og oppnå et materiale i bulk med egenskaper lik summen av partiklene det er satt sammen av. Det har vist seg at polymerer styrket med nanomaterialer har langt dårligere egenskaper enn de enkelte byggestenene hver for seg. Unntaket er hvis volumprosenten av det styrkende nanomaterialet er lav. Dette kan antakeligvis forklares ved viktigheten av struktur i komposittmaterialet. Hvis man bruker en høy volumprosent av nanopartikler er det vanskelig å kontrollere strukturen, spesielt fordi partiklene har en tendens til å aggregere og danne bulk materiale. Det er ønskelig at nanoelementene i komposittmaterialet rangerer seg på en ordnet måte, uten å klumpe seg sammen, da dette maksimerer kontaktflaten mellom nanopartikler og polymer.

En annen utfordring er selve produksjonen. Det er svært vanskelig å kontrollere oppførselen til et materiale på nanoskala. Det finnes muligheter for å plassere en og en partikkel f.eks med en AFM spiss, men hvis produksjon skal foregå på litt større skala må man ty til selvorganisering. For å oppnå ønsket resultat ved selvorganisering trengs inngående kunnskap om nanomaterialets fysiske og kjemiske egenskaper.

== Oppbygningen av skjellet ==
[[Bilde:nacreAFMPC.jpg|left|thumb|250px|Oppbygningen av Abalonskjellet, med polygonformede biokrystaller omggitt av proteiner. Bilde tatt med AFM og fasekontrast. [1]]]

''Haliotis Rufescens'' (Rød Abalon, Regnbuestein) er en av de sterkeste skjellene hva gjelder fysiske egenskaper. Innsiden har et regnbuefarget utseende, litt på samme måten som en CD, og denne likheten er det første indisiet på at vi har med en mikro- eller nanostruktur å gjøre. Allerede i 1955 kunne ''Grégoire et al.'' bevise at skjellene består av plater med organiske forbindelser, og ''Weiner'' kunne i 1986 fastslå at det dreide seg om plater på ca. ~5 µm i diameter, og med en tykkelse på 0.5µm, omgitt av et biopolymer. Ved å studere skjellet med AFM, SEM og TEM, har man med tiden kartlagt oppbygningen til materialet; skjellene består polygoniske biomineraler av aragonitt/kritt(CaCO3) separert av tynne (~45nm) lag med elastiske, organiske polymer-lignende proteiner, slik at strukturen på nano-skala ligner makroskopiske murvegger, med krystallene som "mursteiner" og proteinene som "sement". Det finnes to forskjellige strukturformer i skjellene; kolonne- og trappeform.
[[Bilde:nacreSEMcross.jpg|right|thumb|250px|Tversnitt av Abalonskjellet, tatt med SEM. [2]]]
Kolonneform betyr at sentrum av hver krystallplate ligger omtrent rett over sentrum av plata under. Når sentrum i hver plate ligger omtrent over skjøten mellom de underliggende platene, omtrent på samme måte som i murvegger, kalles dette trappeform. Det som fascinerer mest med denne oppbygningen er at hovedbestanddelen (95%) av materialet er kritt, et av naturens mest skjøre materialer (tenk tavlekritt, eggeskall etc). Oppbygningen i skjellene gjør at materialet tåler 3000 ganger så mye som aragonitt i vanlig bulk-form. Den samme strukturen finnes blant annet i ben hos alle større dyr, blant annet hos mennesket. Vår benbygning består på samme måte av plater med mineralet kalsium- hydroksyapatitt, omgitt av et mykere vev av kollagen. Den viktigste forskjellen mellom skjellene og vår benbygning er likevel at våre ben består av relativt sett mindre mineraler i forhold til det mykere biopolymeret (~95% for skjellene og ~45% i vår benbygning). Dette gjør at mens skjellene er hardere enn vår benbygning, tåler vi mer støt, strekk og bøying før materialet gir etter.

(En liten digresjon for de spirituelle (fra Alternativ Helse): "Abalon er god for kjærlighet, romantikk, god mat, og kreativitet (spesielt lyrikk og musikk) (...) Beskytter mot negative energier, spesielt sinne, depresjon, frykt, og tristhet. (...) fører til inspirasjon og kreativitet, spesielt innen skriving. Denne virkningen er sterkest til skapende skriving, som poesi og lyrikk, men er også fin innen forretning eller skoleskriving.")

== Dimensjoner og materialer ==
Biomimikk går ut på å imitere naturen nøyaktig for å bygge opp materialer med de egenskapene man finner i naturen. Bioinspirasjon derimot, handler om å hente inspirasjon fra naturens mange kilder, for så å utvikle videre et syntetisk materiale med helt spesifikke egenskaper, som kan overskride naturen på flere områder. Vi har mange flere materialer å velge mellom enn naturen, kan variere dimensjoner og strukturer på alle lengdeskalaer, og har dermed mange flere variable å utforske for å oppnå akkurat de egenskapene vi er ute etter. Dette er imidlertid lettere sagt en gjort, konstruksjonen av ben eller skjell lignende strukturer har vist seg å være ekstremt vanskelig, spesielt fordi det er meget utfordrene å finne generelle teknikker som fungerer for forskjellige materialer. Vi skal derfor her ta for oss en spesifikk type polymerfilm.

Før valg av materiale gjelder det å få oversikt over hvilke egenskaper den organiske og den uorganiske fasen bør ha, og hvor stor prosentandel man ideelt sett bør bruke av hver av dem.

Hvis man kjenner til styrken til de forskjellige materialene hver for seg samt volumprosenten av plater, kan man regne ut den totale styrken til hybridmaterialet ved følgende formel:
:<math>\sigma_c = \alpha V_p \sigma_p + (1-V_p)\sigma_m</math>
Der <math>\sigma_c</math> er maksimal strekkstyrke (tensile strength) til materialet, <math>V_p</math> er volumprosenten av plater, <math>\sigma_p</math> og <math>\sigma_m</math> er strekkstyrken til henholdsvis platene og polymermaterialet i matrisen rundt platene. <math>\alpha</math> er en funksjon av s, <math>\tau_y</math> og <math>\sigma_p</math>, der s er forholdet mellom lengde og tykkelse på platene (aspektrate) og <math>\tau_y</math> er flyt skjærstyrken (yield shear stength) til polymermatrisen.

[[Bilde:Brudd copy.jpg|left|thumb|250px|Den øverste figuren viser hvordan filmen vil knekke hvis <math>s>s_c</math>, mens den nederste figuren illustrerer hvordan materialet kan bli styrket hvis <math>s<s_c</math>, og platene er fleksible i polymermatrisen i stedet for å knekke tvert av ved en påført kraft.]]
Uttrykket for <math>\alpha</math> avhenger av s, aspektraten til platene. Hvis s er høyere enn en kritisk verdi <math>s_c</math>, vil hybridmaterialet knekke tvert av ved en viss påført kraft. I dette tilfellet uttrykkes <math>\alpha</math> på følgende måte:
:<math>\alpha = 1-\frac{\sigma_p}{2\tau_y s}</math>

Hvis s derimot er mindre enn den kritiske verdien <math>s_c</math>, vil platene være fleksible i polymermatrisen når en kraft påføres, og det skal mye mer til før materialet går helt i stykker. I dette tilfellet uttrykkes <math>\alpha</math> som følger:
:<math>\alpha = \frac{\tau_y s}{2\sigma_p}</math>

Den ønskelige situasjonen er sistnevnte, der <math>s<s_c</math>. For å oppnå maksimal styrke på alle måter bør s være nært oppunder <math>s_c</math>.

<math>s_c</math> er en funksjon av <math>\sigma_p</math> og <math>\tau_y</math>: <math>s_c = \frac{\sigma_p}{\tau_y}</math>

Naturen har begrenset med materialer å velge mellom. Nacre er for eksempel bygget opp av aragonittplater i et organisk materiale, og <math>s_c</math> befinner seg da et sted mellom 9 og 12,5, noe som er en relativt lav verdi. Aragonitt har en <math>\sigma_p</math> verdi på mellom 360 og 500 MPa, mens syntetiske uorganiske plater kan ha <math>\sigma_p</math> verdier mellom 2 og 5 GPa. Dette gir rom for å bruke plater med en merkbart høyere aspektrate, uten å overskride den kritiske verdien <math>s_c</math>.

Volumprosenten av uorganiske plater har mye å si for filmens egenskaper. For få plater gir et materiale som tåler mye deformering før det ødelegges, men som til gjengjeld er mykt og lite beskyttende. For mange plater gjør materialet hardt og stivt, men da blir det også skjørt og følsomt for sprekker. Hvis volumprosenten er altfor høy vil dessuten ikke platene organisere seg i en ordnet struktur som gir de egenskapene vi er ute etter. Her ønskes et materiale som både er hardt og fleksibelt.

[[Bilde:volumprosent.jpg|center|thumb|800px|Figur A, B og C inneholder henholdsvis 5, 11 og 60 vol% <math>Al_2O_3</math> plater. Man ser at ved 60 vol% blir strukturen uordnet og hullete, mens platene beholder sin struktur for vol% lavere enn 20. Lengdeskalaen på bildene er henholdsvis 10, 5 og 2µm.]]

[[Bilde:stress vs strain.jpg|right|thumb|300px|Denne figuren viser hvordan komposittmaterialet tåler mer og mer påført kraft før det deformeres ettersom volumprosenten av plater økes fra null og opp imot 20]]
Bonderer ''et al.'' (ref: bioinspired artikkelen) valgte å lage en forsterket polymerfilm med 15 vol% aluminiumoksidplater i en matrise av kitosan. Aluminiumsplatene har en estimert strekkstyrke <math>\sigma_p</math> på 2 GPa (der aragonitt til sammenligning har en strekkstyrke mellom 360 og 500 MPa), og kitosan har en flyt skjærstyrke på ca 40MPa. Dette gir en kritisk verdi <math>s_c</math> på omtrent 50, noe som er mye høyere enn hva man finner i skjellstrukturer i naturen (<math>9<s_c<12,5</math> for nacre). Man kan dermed øke aspektraten (s) og fortsatt beholde en fleksibel oppførsel ved påført kraft, noe som gjør at materialet tåler mer. I dette eksempelet valgte forskerne en aspektrate på 40, og plater med en tykkelse på ca 200nm. Tykkelsen er på samme nivå som platene funnet i nacre, men i og med at aspektraten er høyere kan platene være lengre, og dette øker effektiviteten av kraftskifting (load transfer) til de uorganiske platene. Volumprosenten ble satt til 15 på grunnlag av observasjonene vist i figur___, der man ser at volumprosenter over 20 gir materialet en hullete og dårlig struktur. I tillegg ble dette valget basert på observasjoner av hvor mye materialet deformeres som følger av påført kraft, som vist i figur__.

Podsiadlo og hans kolleger har prøvd seg med montmorillonitt (MTM) leirplater i en matrise av polyvinylalkohol (PVA). De har fokusert på kjemien i grensesnittet mellom platene og polymermatrisen for å maksimere kraftoverføring til den sterkere uorganiske fasen.

== Produksjon ==
=== Metoder ===
Som nevnt tidligere finnes det ingen enkel og generell oppskrift på hvordan man kan produsere disse harde og sterke materialene. Ethvert materiale har spesifikke egenskaper, og det er ofte åpent for å anvende en ny teknikk som kun fungerer for et gitt materiale. Etter mye forskning, prøving og feiling, har man likevel kommet fram til noen fabrikasjonsmetoder som er mer generelle enn andre. Disse kan deles opp i følgende fire kategorier:
*'''Selvorganisering og "bottom up"'''
Denne metoden er nyttig i produksjonen av harde materialer, og drar nytte av visse elementers evne til å adsorbere og selvorganisere på en overflate.
*'''Elektroforetisk deposisjon'''
Denne metoden baserer seg på at ladde partikler selvorganiserer under påvirkning av et elektrisk felt. Ladde nanopartikler blandes i en suspensjon, og ved å sette på et eksternt elektrisk felt vil disse migrere til og feste seg på elektroden.
*'''Lag på lag metoden'''
Dette er en enkel metode for å produsere tynne filmer, gjerne med alternerende organisk-uorganisk fase. Et ladd substrat dyppes annenhver gang i motsatt ladde løsninger av polyelektrolytter.
*'''Templat inhibering'''

=== Anvendte teknikker ===
Noen av ovennevnte fabrikasjonsmetoder innebærer bruken av teknikker som krever en kort forklaring:

*'''Dip coating: Dypp-belegging'''
[[Bilde:Dip coating.gif|left|thumb|300px|De tre trinnene i dypp-beleggingsprosessen]]
Som det fremkommer av navnet beskriver dette en metode for å belegge noe med et tynt lag av noe annet. Vanligvis deles prosessen inn i fire deler: Først senkes gjenstanden som skal belegges ned i et beleggingsmateriale med konstant hastighet. Deretter lar man gjenstanden hvile i løsningen av beleggingsmateriale, slik at det skal få tid til å feste seg på overflaten. Etter en gitt tid trekkes gjenstanden opp igjen av løsningen, fortsatt med konstant hastighet for å unngå ujevnheter i filmen som blir lagt igjen på overflaten. Til slutt må filmen tørkes, slik at kun materialet som filmen skal bestå av er igjen på overflaten. Dette skjer oftest ved at løsning fordamper.
Det som i hovedsak bestemmer tykkelsen på filmen er hastigheten gjenstanden blir trukket opp igjen fra løsningen med. Jo høyere hastighet, jo tykkere film.

*'''Spin coating: Rotasjonsbelegging'''
[[Bilde:spincoat.jpg|right|thumb|300px|Prosessen i spin-coating og en representasjon av tykkelsen på laget som følge av rotasjonshastighet]]
Dette beskriver en annen teknikk for å belegge noe med en tynn film. Rotasjonsbelegging består i hovedsak av tre trinn: Påføring, rotasjon og tørking. Først dryppes eller sprayes beleggingsmaterialet, i flytende form, på sentrum av overflaten av gjenstanden som skal belegges. Belegget påføres i overflod i forhold til hva som blir igjen ved slutten av prosessen. Deretter settes gjenstanden inn i en maskin som kan rotere med høy hastighet. Når maskinen roterer vil belegget spres som følger av sentrifugalkraften, og til slutt renne over kanten av overflaten. Hastigheten bestemmer man selv, og avhenger av hvor tykk filmen skal være, og hva slags materiale den består av. Jo høyere vinkelhastighet, jo tynnere film. Vanligvis er løsningen volatil, og fordamper samtidig som gjenstanden roteres. Dette gjør at konsentrasjonen av løsningen også spiller inn på tykkelsen av filmen, der høy konsentrasjon gir en tykkere film enn lav konsentrasjon.
Andre faktorer som spiller inn på tykkelsen og egenskapene til filmen er: Akselerasjon til endelig rotasjonshastighet, rotasjonstid, viskositet til beleggingsvesken, fordampningshastighet, overflatespenning, temperatur, luftfuktighet osv.

*'''Sonication: Lydbehandling'''
Lydbehandling består i å tilføre energi til en prøve ved bruk av lydbølger, vanligvis ultralyd. Den høyfrekvente lyden blir generert elektronisk, og tilføres videre som mekanisk energi til prøven via en metallprobe som oscillerer med høy frekvens. Et såkalt ultralydbad kan også brukes. Når partiklene får høyere energi vil de bevege seg mer, og dette kan utnyttes på flere måter. Intermolekylære bånd kan brytes, noe som kan brukes til å løse opp og blande stoffer svært raskt. Energien tilført kan også utnyttes for å få en kjemisk reaksjon til å gå, til å fjerne oppløst gass fra en væske eller til å starte en krystalliseringsprosess. Innen biologi kan lydbehandling brukes til å ødelegge cellemembraner, for så å frigjøre det som befinner seg inne i cellen. Et mer populært bruksområde er rengjøring, fordi lydbehandling kan brukes til å løsne partikler fra en overflate. Denne typen rengjøring blir ofte brukt på briller og smykker.

=== Fremgangsmåte ===
Flere materialer har blitt prøvd ut for å lage lignende polymerfilmer, men her skal vi se på produksjonen av en film satt sammen av aluminiumsplater og kitosan. Kitosan er en biopolymer som produseres fra råstoffet kitin, som man i Norge hovedsakelig utvinner fra rekeskall.

Hovedidéen bak produksjonsprosessen er at man skal legge aluminiumsplater og kitosan lagvis oppå hverandre, inntil man oppnår en film med en tykkelse på mindre enn noen titalls mikrometer. Hvert lag må altså være svært tynt, og aluminiumsplatene må ikke ligge klumpet oppå hverandre.

På grunn av sin lave størrelse kan aluminiumsplatene ses på som kolloidale partikler, og har evnen til å adsorbere på overflaten mellom luft og vann. Det blir utnyttet her. For å lette adsorpsjonen blir først noe hydrofobe silankjeder (aminopropyltriethoxysilane, ATES) festet på den ene siden av aluminiumsplatene. En silankjede kan ses på som ekvivalent til et alkan, der karbonet er byttet ut med silisium. Festeprosessen blir gjort ved å tilsette plater i en løsning av ATES, løsningen lydbehandles så i fem minutter og blandes i 30 min ved 40graderC. Platene blir så vasket med etanol ved hjelp av sentrifugering. Silankjedene som festes på aluminiumsplatene har en aminogruppe på enden, som senere er ment å danne hydrogenbånd med oksygenet i kitosan.

For å danne en tett og homogen langmuirfilm av plater på vannoverflaten lages først en suspensjon av plater i etanol. Suspensjonen består av 1 vol% plater. Denne løsningen blir så dryppet på en vannoverflate, og videre behandlet i 15-30 min med lydbehandling. I løpet av lydbehandlingen dannes også elektriske dobbeltlag mellom de likt ladde aluminiumsplatene, og frastøtningskreftene mellom dem bidrar til bedre struktur i monolaget.

Monolaget blir så overført til en glassplate ved bruk av dypp-belegging og tørking ved 50graderC. Neste steg er å belegge dette igjen med et tynt lag av kitosan, noe som blir gjort ved rotasjonsbelegging. Beleggingsløsningen blir laget ved å la kitosan ligge i en 0,34 M løsning av eddiksyre i minst 24 timer. Eddiksyren er ment å protonere kitosan makromolekylene og amingruppene på enden av silankjedene, for å lette dannelsen av hydrogenbond mellom den organiske og uorganiske fasen. Rotasjon utføres i 40 sekunder med en hastighet på 2000 rpm, hvorpå kitosanlaget tørkes ved 50graderC. Tykkelsen av polymerlaget kan bestemmes ved å endre konsentrasjonen av kitosan i beleggingsløsningen.

Disse trinnene blir så gjentatt inntil ønsket tykkelse på filmen er oppnådd, noe som vanligvis tilsvarer mellom 8 og 10 lag av plater. Når filmen er ferdig fjernes den fra glassplaten med et barberblad.
 

==Andre prosjekter på området==
Ved University of California bruker man en annen innfallsvinkel og bruker kunnskapen om skjellenes holdbarhet til å lage sterkere metallegeringer. Man legger lagvis tynne plater av Titan og Aluminium oppå hverandre på samme måte som krittplatene i skjellet, adskilt av en myk Titan-legering, som tar rollen som det myke vevet rundt platene. Mange produsenter innen spesielt flybransjen ser på dette som en god erstatning for materialet som i dag brukes i flykroppen, siden det gir et mye sterkere materiale per vekt enn i dagens fly. Materialet i seg selv er sterkere enn murstein, og den største fordelen er at eventuelle sprekkdannelser sprer seg i materialet heller enn at materialet knekker på et bestemt sted. Disse egenskapene gjør at materialet også kunne brukes som lett pansring i militære sammenhenger.

==Applikasjoner==
* Biologiske eller syntetiske nacre-lignende materialer har evnen til å integrere seg i benstrukturer, og kan dermed brukes innen biomedisin, spesielt innen ortopedi og tannbehandling.
* Applikasjoner for lsterke polymerer; Mer bruk av polymerer som erstatning for korroderende metaller i bygninger, fly, biler, båter etc., forbruksvarer (strikken som aldri ryker)
* Applikasjoner for lettere og mer holdbare keramer;

 

==Relevans for nanoteknologer==
* viktig å la seg inspirere av naturens nanostrukturer, men samtidig også slippe seg løs og finne nye materialer og løsninger som er bedre egnet enn det naturen kan få til.
* Kanskje har også naturen enda mer å gå på evolusjonsmessig; det lønner seg å utforske forskjellige variasjoner av oppbygningen.
* Naturen har en viktig fordel; kan vha DNA og RNA å bygge mikro- og nanostrukturer med en utrolig nøyaktighet og nærmest uten feil.
* Man kan lære av tankegangen i dette forsøket; i stedet for å lage mer holdbare keramer, som er formålet med skjellenes oppbygning, bruker man det man har lært fra skjellene til å lage sterkere polymerer for andre formål.

== Konlusjon ==
Forskning på naturens sterke materialer har pågått i flere tiår allerede. Vi har funnet mange eksempler på plateforsterkede materialer, spesielt i diverse skjell, ben og tenner, og flere forsøk har blitt gjort på å fabrikkere lignende strukturer. Likevel har vi langt igjen for å kunne måle oss med naturens unike konstruksjonsferdigheter. Ikke bare har vi vanskeligheter med selve produksjonsprosessen, men vi har også en begrenset forståelse av den komplekse og hierarkiske strukturen som finnes i naturens materialer. Når det gjelder plateforsterkede polymerfilmer har vi klart å lage en lignende struktur av plater organisert i en polymermatrise, men det finnes andre aspekter og høyere ordens strukturelementer vi enda ikke har utforsket. Eksempler hentet fra strukturen i nacre er vist i figuren under:

Vi har likevel en stor fordel i forhold til naturen, fordi vi kan velge mellom mange flere konstruksjonsmaterialer. Med dagens halvgode produksjonsmetoder klarer vi allerede å konstruere plateforsterkede polymerfilmer med like gode egenskaper som i naturen på visse områder. Ved videre forståelse av biomaterialer og utvikling av produksjonsmetoder kan man se for seg muligheten for produksjon av helt eksepsjonelle komposittmaterialer en gang i framtiden, som overskrider naturen på alle områder.

== Kilder ==

[1] http://hal.archives-ouvertes.fr/docs/00/09/20/27/PDF/Bourrat-BioMin-2005.pdf 
[2] http://www.biophysik.uni-bremen.de/fritz/research.html 
http://nysgjerrigper.no/Artikler/2005/april/med-naturen-som-fasit 
http://arjournals.annualreviews.org/doi/full/10.1146/annurev.physchem.51.1.601?amp;searchHistoryKey=${searchHistoryKey}&cookieSet=1 
http://www.sciencemag.org/cgi/reprint/318/5847/80.pdf 
(Den spirituelle digresjonen):"http://www.althelse.com/steiner-&-krystaller/1228-abalone.html?showall=1" 
http://www.sciencemag.org/cgi/data/319/5866/1069/DC1/1 
Bioinspired Design and Assembly of Platelet Reinforced Polymer Films, Lorenz J. Bonderer, et al. Science 319, 1069 (2008); DOI: 10.1126/science.1148726
http://www.sciencemag.org/cgi/content/full/sci;319/5866/1053#ref4 
http://www.clean.cise.columbia.edu//process/spintheory.pdf 
http://en.wikipedia.org/wiki/Spin_coating 
http://en.wikipedia.org/wiki/Sonication 
http://en.wikipedia.org/wiki/Cell_disruption 
http://rsta.royalsocietypublishing.org/content/367/1893/1587.full 
http://www.nanowerk.com/spotlight/spotid=2131.php 
http://www.nytimes.com/2005/03/22/science/22abal.html

Bioinspirert design og sammensetting av plateforsterkede polymerfilmer

2009-03-23T11:21:53Z

Eirikgje: /* Anvendte teknikker */

== Innledning ==
[[Bilde:fuflogfly.jpg|right|thumb|350px|NASA har utviklet et fly som kan endre form og lengde på vingene for minst mulig motstand og turbulens under flygingen, og som kan splitte opp vingespissene ved landing. Designet er inspirert av hvithodehavørnen, vist til vesntre.]]
Naturen har gjennom millioner av år med evolusjon utviklet sofistikerte og effektive materialer til forskjellige formål. Vi mennesker har kun eksistert en brøkdel av denne tidsperioden, og på tross av at vi er en av de dyktigste livsformene hva gjelder utvikling av forskjellige redskaper, har vi fortsatt mye å lære av andre organismer. I naturen finnes hundrevis av eksempler på fremgangsmåter, kamuflasje og smarte materialer, som vi bare såvidt har begynt å utforske. Noen eksempler er fly konstruert etter inspirasjon fra fuglers flyteknikk, svømmedrakter designet på samme måte som haihud, og en kamuflasjegel som reflekterer lyset fra omgivelsene, inspirert av blekksprutens evne til å skifte farge.

== Inspirasjon ==
Så og si alle biologiske komposittmaterialer har spesifikke strukturegenskaper på alle lengdeskalaer, fra molekylær, via nanoskopisk og mikroskopisk, til makroskopisk. Innen nanoteknologi er det spesielt interessant å utforske hvordan naturen har utviklet materialer på mikro- og nanoskala for å få dem best mulig egnet til deres bruk.

Mange organismer har bruk for harde og slitesterke materialer. For mennesker og andre dyr er det viktig å ha sterke tenner og skjelett, for mindre organismer er det viktig med harde skall for å beskytte de bløte delene. Et eksempel på dette er forskjellige skjell, som bygger skallet sitt ved hjelp av nanostrukturerte aragonitt(CaC03, kanskje bedre kjent som kritt)-plater omgitt av lag med elastiske biopolymerer som kitin, lustrin og andre proteiner. Denne oppbygningen av materialet gjør det 3000 ganger sterkere enn rent aragonitt, og det er denne enorme forskjellen som gjør at forskere i lang tid har prøvd å lære mer om oppbygningen. Håpet må være at vi innen en stadig minkende tidshorisont kan bruke denne kunnskapen til å masseprodusere sterkere og lettere stoffer enn tidligere.

== Utfordring ved bruk av nanobyggestener ==
Nanobyggestener er hver for seg tilnærmet ideelle materialer, med høy strekkstyrke og Young's modulus. Dessverre er det ikke slik at man kan hive sammen en haug av nanopartikler, og oppnå et materiale i bulk med egenskaper lik summen av partiklene det er satt sammen av. Det har vist seg at polymerer styrket med nanomaterialer har langt dårligere egenskaper enn de enkelte byggestenene hver for seg. Unntaket er hvis volumprosenten av det styrkende nanomaterialet er lav. Dette kan antakeligvis forklares ved viktigheten av struktur i komposittmaterialet. Hvis man bruker en høy volumprosent av nanopartikler er det vanskelig å kontrollere strukturen, spesielt fordi partiklene har en tendens til å aggregere og danne bulk materiale. Det er ønskelig at nanoelementene i komposittmaterialet rangerer seg på en ordnet måte, uten å klumpe seg sammen, da dette maksimerer kontaktflaten mellom nanopartikler og polymer.

En annen utfordring er selve produksjonen. Det er svært vanskelig å kontrollere oppførselen til et materiale på nanoskala. Det finnes muligheter for å plassere en og en partikkel f.eks med en AFM spiss, men hvis produksjon skal foregå på litt større skala må man ty til selvorganisering. For å oppnå ønsket resultat ved selvorganisering trengs inngående kunnskap om nanomaterialets fysiske og kjemiske egenskaper.

== Oppbygningen av skjellet ==
[[Bilde:nacreAFMPC.jpg|left|thumb|250px|Oppbygningen av Abalonskjellet, med polygonformede biokrystaller omggitt av proteiner. Bilde tatt med AFM og fasekontrast. [1]]]

''Haliotis Rufescens'' (Rød Abalon, Regnbuestein) er en av de sterkeste skjellene hva gjelder fysiske egenskaper. Innsiden har et regnbuefarget utseende, litt på samme måten som en CD, og denne likheten er det første indisiet på at vi har med en mikro- eller nanostruktur å gjøre. Allerede i 1955 kunne ''Grégoire et al.'' bevise at skjellene består av plater med organiske forbindelser, og ''Weiner'' kunne i 1986 fastslå at det dreide seg om plater på ca. ~5 µm i diameter, og med en tykkelse på 0.5µm, omgitt av et biopolymer. Ved å studere skjellet med AFM, SEM og TEM, har man med tiden kartlagt oppbygningen til materialet; skjellene består polygoniske biomineraler av aragonitt/kritt(CaCO3) separert av tynne (~45nm) lag med elastiske, organiske polymer-lignende proteiner, slik at strukturen på nano-skala ligner makroskopiske murvegger, med krystallene som "mursteiner" og proteinene som "sement". Det finnes to forskjellige strukturformer i skjellene; kolonne- og trappeform.
[[Bilde:nacreSEMcross.jpg|right|thumb|250px|Tversnitt av Abalonskjellet, tatt med SEM. [2]]]
Kolonneform betyr at sentrum av hver krystallplate ligger omtrent rett over sentrum av plata under. Når sentrum i hver plate ligger omtrent over skjøten mellom de underliggende platene, omtrent på samme måte som i murvegger, kalles dette trappeform. Det som fascinerer mest med denne oppbygningen er at hovedbestanddelen (95%) av materialet er kritt, et av naturens mest skjøre materialer (tenk tavlekritt, eggeskall etc). Oppbygningen i skjellene gjør at materialet tåler 3000 ganger så mye som aragonitt i vanlig bulk-form. Den samme strukturen finnes blant annet i ben hos alle større dyr, blant annet hos mennesket. Vår benbygning består på samme måte av plater med mineralet kalsium- hydroksyapatitt, omgitt av et mykere vev av kollagen. Den viktigste forskjellen mellom skjellene og vår benbygning er likevel at våre ben består av relativt sett mindre mineraler i forhold til det mykere biopolymeret (~95% for skjellene og ~45% i vår benbygning). Dette gjør at mens skjellene er hardere enn vår benbygning, tåler vi mer støt, strekk og bøying før materialet gir etter.

(En liten digresjon for de spirituelle (fra Alternativ Helse): "Abalon er god for kjærlighet, romantikk, god mat, og kreativitet (spesielt lyrikk og musikk) (...) Beskytter mot negative energier, spesielt sinne, depresjon, frykt, og tristhet. (...) fører til inspirasjon og kreativitet, spesielt innen skriving. Denne virkningen er sterkest til skapende skriving, som poesi og lyrikk, men er også fin innen forretning eller skoleskriving.")

== Dimensjoner og materialer ==
Biomimikk går ut på å imitere naturen nøyaktig for å bygge opp materialer med de egenskapene man finner i naturen. Bioinspirasjon derimot, handler om å hente inspirasjon fra naturens mange kilder, for så å utvikle videre et syntetisk materiale med helt spesifikke egenskaper, som kan overskride naturen på flere områder. Vi har mange flere materialer å velge mellom enn naturen, kan variere dimensjoner og strukturer på alle lengdeskalaer, og har dermed mange flere variable å utforske for å oppnå akkurat de egenskapene vi er ute etter. Dette er imidlertid lettere sagt en gjort, konstruksjonen av ben eller skjell lignende strukturer har vist seg å være ekstremt vanskelig, spesielt fordi det er meget utfordrene å finne generelle teknikker som fungerer for forskjellige materialer. Vi skal derfor her ta for oss en spesifikk type polymerfilm.

Før valg av materiale gjelder det å få oversikt over hvilke egenskaper den organiske og den uorganiske fasen bør ha, og hvor stor prosentandel man ideelt sett bør bruke av hver av dem.

Hvis man kjenner til styrken til de forskjellige materialene hver for seg samt volumprosenten av plater, kan man regne ut den totale styrken til hybridmaterialet ved følgende formel:
:<math>\sigma_c = \alpha V_p \sigma_p + (1-V_p)\sigma_m</math>
Der <math>\sigma_c</math> er maksimal strekkstyrke (tensile strength) til materialet, <math>V_p</math> er volumprosenten av plater, <math>\sigma_p</math> og <math>\sigma_m</math> er strekkstyrken til henholdsvis platene og polymermaterialet i matrisen rundt platene. <math>\alpha</math> er en funksjon av s, <math>\tau_y</math> og <math>\sigma_p</math>, der s er forholdet mellom lengde og tykkelse på platene (aspektrate) og <math>\tau_y</math> er flyt skjærstyrken (yield shear stength) til polymermatrisen.

[[Bilde:Brudd copy.jpg|left|thumb|250px|Den øverste figuren viser hvordan filmen vil knekke hvis <math>s>s_c</math>, mens den nederste figuren illustrerer hvordan materialet kan bli styrket hvis <math>s<s_c</math>, og platene er fleksible i polymermatrisen i stedet for å knekke tvert av ved en påført kraft.]]
Uttrykket for <math>\alpha</math> avhenger av s, aspektraten til platene. Hvis s er høyere enn en kritisk verdi <math>s_c</math>, vil hybridmaterialet knekke tvert av ved en viss påført kraft. I dette tilfellet uttrykkes <math>\alpha</math> på følgende måte:
:<math>\alpha = 1-\frac{\sigma_p}{2\tau_y s}</math>

Hvis s derimot er mindre enn den kritiske verdien <math>s_c</math>, vil platene være fleksible i polymermatrisen når en kraft påføres, og det skal mye mer til før materialet går helt i stykker. I dette tilfellet uttrykkes <math>\alpha</math> som følger:
:<math>\alpha = \frac{\tau_y s}{2\sigma_p}</math>

Den ønskelige situasjonen er sistnevnte, der <math>s<s_c</math>. For å oppnå maksimal styrke på alle måter bør s være nært oppunder <math>s_c</math>.

<math>s_c</math> er en funksjon av <math>\sigma_p</math> og <math>\tau_y</math>: <math>s_c = \frac{\sigma_p}{\tau_y}</math>

Naturen har begrenset med materialer å velge mellom. Nacre er for eksempel bygget opp av aragonittplater i et organisk materiale, og <math>s_c</math> befinner seg da et sted mellom 9 og 12,5, noe som er en relativt lav verdi. Aragonitt har en <math>\sigma_p</math> verdi på mellom 360 og 500 MPa, mens syntetiske uorganiske plater kan ha <math>\sigma_p</math> verdier mellom 2 og 5 GPa. Dette gir rom for å bruke plater med en merkbart høyere aspektrate, uten å overskride den kritiske verdien <math>s_c</math>.

Volumprosenten av uorganiske plater har mye å si for filmens egenskaper. For få plater gir et materiale som tåler mye deformering før det ødelegges, men som til gjengjeld er mykt og lite beskyttende. For mange plater gjør materialet hardt og stivt, men da blir det også skjørt og følsomt for sprekker. Hvis volumprosenten er altfor høy vil dessuten ikke platene organisere seg i en ordnet struktur som gir de egenskapene vi er ute etter. Her ønskes et materiale som både er hardt og fleksibelt.

[[Bilde:volumprosent.jpg|center|thumb|800px|Figur A, B og C inneholder henholdsvis 5, 11 og 60 vol% <math>Al_2O_3</math> plater. Man ser at ved 60 vol% blir strukturen uordnet og hullete, mens platene beholder sin struktur for vol% lavere enn 20. Lengdeskalaen på bildene er henholdsvis 10, 5 og 2µm.]]

[[Bilde:stress vs strain.jpg|right|thumb|300px|Denne figuren viser hvordan komposittmaterialet tåler mer og mer påført kraft før det deformeres ettersom volumprosenten av plater økes fra null og opp imot 20]]
Bonderer ''et al.'' (ref: bioinspired artikkelen) valgte å lage en forsterket polymerfilm med 15 vol% aluminiumoksidplater i en matrise av kitosan. Aluminiumsplatene har en estimert strekkstyrke <math>\sigma_p</math> på 2 GPa (der aragonitt til sammenligning har en strekkstyrke mellom 360 og 500 MPa), og kitosan har en flyt skjærstyrke på ca 40MPa. Dette gir en kritisk verdi <math>s_c</math> på omtrent 50, noe som er mye høyere enn hva man finner i skjellstrukturer i naturen (<math>9<s_c<12,5</math> for nacre). Man kan dermed øke aspektraten (s) og fortsatt beholde en fleksibel oppførsel ved påført kraft, noe som gjør at materialet tåler mer. I dette eksempelet valgte forskerne en aspektrate på 40, og plater med en tykkelse på ca 200nm. Tykkelsen er på samme nivå som platene funnet i nacre, men i og med at aspektraten er høyere kan platene være lengre, og dette øker effektiviteten av kraftskifting (load transfer) til de uorganiske platene. Volumprosenten ble satt til 15 på grunnlag av observasjonene vist i figur___, der man ser at volumprosenter over 20 gir materialet en hullete og dårlig struktur. I tillegg ble dette valget basert på observasjoner av hvor mye materialet deformeres som følger av påført kraft, som vist i figur__.

Podsiadlo og hans kolleger har prøvd seg med montmorillonitt (MTM) leirplater i en matrise av polyvinylalkohol (PVA). De har fokusert på kjemien i grensesnittet mellom platene og polymermatrisen for å maksimere kraftoverføring til den sterkere uorganiske fasen.

== Produksjon ==
=== Metoder ===
Som nevnt tidligere finnes det ingen enkel og generell oppskrift på hvordan man kan produsere disse harde og sterke materialene. Ethvert materiale har spesifikke egenskaper, og det er ofte åpent for å anvende en ny teknikk som kun fungerer for et gitt materiale. Etter mye forskning, prøving og feiling, har man likevel kommet fram til noen fabrikasjonsmetoder som er mer generelle enn andre. Disse kan deles opp i følgende fire kategorier:
*'''Selvorganisering og "bottom up"'''
Denne metoden er nyttig i produksjonen av harde materialer, og drar nytte av visse elementers evne til å adsorbere og selvorganisere på en overflate.
*'''Elektroforetisk deposisjon'''
Denne metoden baserer seg på at ladde partikler selvorganiserer under påvirkning av et elektrisk felt. Ladde nanopartikler blandes i en suspensjon, og ved å sette på et eksternt elektrisk felt vil disse migrere til og feste seg på elektroden.
*'''Lag på lag metoden'''
Dette er en enkel metode for å produsere tynne filmer, gjerne med alternerende organisk-uorganisk fase. Et ladd substrat dyppes annenhver gang i motsatt ladde løsninger av polyelektrolytter.
*'''Templat inhibering'''

=== Anvendte teknikker ===
Noen av ovennevnte fabrikasjonsmetoder innebærer bruken av teknikker som krever en kort forklaring:

*'''Dip coating: Dypp-belegging'''
[[Bilde:Dip coating.gif|left|thumb|300px|De tre trinnene i dypp-beleggingsprosessen]]
Som det fremkommer av navnet beskriver dette en metode for å belegge noe med et tynt lag av noe annet. Vanligvis deles prosessen inn i fire deler: Først senkes gjenstanden som skal belegges ned i et beleggingsmateriale med konstant hastighet. Deretter lar man gjenstanden hvile i løsningen av beleggingsmateriale, slik at det skal få tid til å feste seg på overflaten. Etter en gitt tid trekkes gjenstanden opp igjen av løsningen, fortsatt med konstant hastighet for å unngå ujevnheter i filmen som blir lagt igjen på overflaten. Til slutt må filmen tørkes, slik at kun materialet som filmen skal bestå av er igjen på overflaten. Dette skjer oftest ved at løsning fordamper.
Det som i hovedsak bestemmer tykkelsen på filmen er hastigheten gjenstanden blir trukket opp igjen fra løsningen med. Jo høyere hastighet, jo tykkere film.

*'''Spin coating: Rotasjonsbelegging'''
[[Bilde:spincoat.jpg|right|thumb|300px|Prosessen i spin-coating og en representasjon av tykkelsen på laget som følge av rotasjonshastighet]]
Dette beskriver en annen teknikk for å belegge noe med en tynn film. Rotasjonsbelegging består i hovedsak av tre trinn: Påføring, rotasjon og tørking. Først dryppes eller sprayes beleggingsmaterialet, i flytende form, på sentrum av overflaten av gjenstanden som skal belegges. Belegget påføres i overflod i forhold til hva som blir igjen ved slutten av prosessen. Deretter settes gjenstanden inn i en maskin som kan rotere med høy hastighet. Når maskinen roterer vil belegget spres som følger av sentrifugalkraften, og til slutt renne over kanten av overflaten. Hastigheten bestemmer man selv, og avhenger av hvor tykk filmen skal være, og hva slags materiale den består av. Jo høyere vinkelhastighet, jo tynnere film. Vanligvis er løsningen volatil, og fordamper samtidig som gjenstanden roteres. Dette gjør at konsentrasjonen av løsningen også spiller inn på tykkelsen av filmen, der høy konsentrasjon gir en tykkere film enn lav konsentrasjon.
Andre faktorer som spiller inn på tykkelsen og egenskapene til filmen er: Akselerasjon til endelig rotasjonshastighet, rotasjonstid, viskositet til beleggingsvesken, fordampningshastighet, overflatespenning, temperatur, luftfuktighet osv.

*'''Sonication: Lydbehandling'''
Lydbehandling består i å tilføre energi til en prøve ved bruk av lydbølger, vanligvis ultralyd. Den høyfrekvente lyden blir generert elektronisk, og tilføres videre som mekanisk energi til prøven via en metallprobe som oscillerer med høy frekvens. Et såkalt ultralydbad kan også brukes. Når partiklene får høyere energi vil de bevege seg mer, og dette kan utnyttes på flere måter. Intermolekylære bånd kan brytes, noe som kan brukes til å løse opp og blande stoffer svært raskt. Energien tilført kan også utnyttes for å få en kjemisk reaksjon til å gå, til å fjerne oppløst gass fra en væske eller til å starte en krystalliseringsprosess. Innen biologi kan lydbehandling brukes til å ødelegge cellemembraner, for så å frigjøre det som befinner seg inne i cellen. Et mer populært bruksområde er rengjøring, fordi lydbehandling kan brukes til å løsne partikler fra en overflate. Denne typen rengjøring blir ofte brukt på briller og smykker.

=== Fremgangsmåte ===
Flere materialer har blitt prøvd ut for å lage lignende polymerfilmer, men her skal vi se på produksjonen av en film satt sammen av aluminiumsplater og kitosan. Kitosan er en biopolymer som produseres fra råstoffet kitin, som man i Norge hovedsakelig utvinner fra rekeskall.

Hovedidéen bak produksjonsprosessen er at man skal legge aluminiumsplater og kitosan lagvis oppå hverandre, inntil man oppnår en film med en tykkelse på mindre enn noen titalls mikrometer. Hvert lag må altså være svært tynt, og aluminiumsplatene må ikke ligge klumpet oppå hverandre.

På grunn av sin lave størrelse kan aluminiumsplatene ses på som kolloidale partikler, og har evnen til å adsorbere på overflaten mellom luft og vann. Det blir utnyttet her. For å lette adsorpsjonen blir først noe hydrofobe silankjeder (aminopropyltriethoxysilane, ATES) festet på den ene siden av aluminiumsplatene. En silankjede kan ses på som ekvivalent til et alkan, der karbonet er byttet ut med silisium. Festeprosessen blir gjort ved å tilsette plater i en løsning av ATES, løsningen lydbehandles så i fem minutter og blandes i 30 min ved 40graderC. Platene blir så vasket med etanol ved hjelp av sentrifugering. Silankjedene som festes på aluminiumsplatene har en aminogruppe på enden, som senere er ment å danne hydrogenbånd med oksygenet i kitosan.

For å danne en tett og homogen langmuirfilm av plater på vannoverflaten lages først en suspensjon av plater i etanol. Suspensjonen består av 1 vol% plater. Denne løsningen blir så dryppet på en vannoverflate, og videre behandlet i 15-30 min med lydbehandling. I løpet av lydbehandlingen dannes også elektriske dobbeltlag mellom de likt ladde aluminiumsplatene, og frastøtningskreftene mellom dem bidrar til bedre struktur i monolaget.

Monolaget blir så overført til en glassplate ved bruk av dypp-belegging og tørking ved 50graderC. Neste steg er å belegge dette igjen med et tynt lag av kitosan, noe som blir gjort ved rotasjonsbelegging. Beleggingsløsningen blir laget ved å la kitosan ligge i en 0,34 M løsning av eddiksyre i minst 24 timer. Eddiksyren er ment å protonere kitosan makromolekylene og amingruppene på enden av silankjedene, for å lette dannelsen av hydrogenbond mellom den organiske og uorganiske fasen. Rotasjon utføres i 40 sekunder med en hastighet på 2000 rpm, hvorpå kitosanlaget tørkes ved 50graderC. Tykkelsen av polymerlaget kan bestemmes ved å endre konsentrasjonen av kitosan i beleggingsløsningen.

Disse trinnene blir så gjentatt inntil ønsket tykkelse på filmen er oppnådd, noe som vanligvis tilsvarer mellom 8 og 10 lag av plater. Når filmen er ferdig fjernes den fra glassplaten med et barberblad.
 

==Andre prosjekter på området==
Ved University of California bruker man en annen innfallsvinkel og bruker kunnskapen om skjellenes holdbarhet til å lage sterkere metallegeringer. Man legger lagvis tynne plater av Titan og Aluminium oppå hverandre på samme måte som krittplatene i skjellet, adskilt av en myk Titan-legering, som tar rollen som det myke vevet rundt platene. Mange produsenter innen spesielt flybransjen ser på dette som en god erstatning for materialet som i dag brukes i flykroppen, siden det gir et mye sterkere materiale per vekt enn i dagens fly. Materialet i seg selv er sterkere enn murstein, og den største fordelen er at eventuelle sprekkdannelser sprer seg i materialet heller enn at materialet knekker på et bestemt sted. Disse egenskapene gjør at materialet også kunne brukes som lett pansring i militære sammenhenger.

==Applikasjoner==
* Biologiske eller syntetiske nacre-lignende materialer har evnen til å integrere seg i benstrukturer, og kan dermed brukes innen biomedisin, spesielt innen ortopedi og tannbehandling.
* Applikasjoner for lsterke polymerer; Mer bruk av polymerer som erstatning for korroderende metaller i bygninger, fly, biler, båter etc., forbruksvarer (strikken som aldri ryker)
* Applikasjoner for lettere og mer holdbare keramer;

 

==Relevans for nanoteknologer==
Dette eksempelet viser at det er viktig for nanoteknologer å la seg inspirere av naturens nanostrukturer, men samtidig også slippe seg løs og finne nye materialer og løsninger som er bedre egnet enn det naturen kan få til. Kanskje har også naturen enda mer å gå på evolusjonsmessig; det lønner seg å utforske forskjellige variasjoner av oppbygningen. Naturen har imidlertid også en fordel når det kommer til oppbygning av nanostrukturerte materialer; mens vi aktivt hele tiden må vurdere strukturer, tykkelse av lag, materialer, kostnad etc. for å få best mulig materiale (dvs med minst mulig feil og best mulig egenskaper), klarer organismer vha DNA og RNA å bygge mikro- og nanostrukturer med en utrolig nøyaktighet og nærmest uten feil. Eksemplet på dette er når ''Bonderer et al.'' ikke klarer å lage polymerfilmer med høy platekonsentrasjon med tilstrekkelig regelmessig struktur. 
Man kan også lære av tankegangen i dette forsøket; i stedet for å lage mer holdbare keramer, som er formålet med skjellenes oppbygning, bruker man det man har lært fra skjellene til å lage sterkere polymerer for andre formål.

 

== Kilder ==

[1] http://hal.archives-ouvertes.fr/docs/00/09/20/27/PDF/Bourrat-BioMin-2005.pdf 
[2] http://www.biophysik.uni-bremen.de/fritz/research.html 
http://nysgjerrigper.no/Artikler/2005/april/med-naturen-som-fasit 
http://arjournals.annualreviews.org/doi/full/10.1146/annurev.physchem.51.1.601?amp;searchHistoryKey=${searchHistoryKey}&cookieSet=1 
http://www.sciencemag.org/cgi/reprint/318/5847/80.pdf 
(Den spirituelle digresjonen):"http://www.althelse.com/steiner-&-krystaller/1228-abalone.html?showall=1" 
http://www.sciencemag.org/cgi/data/319/5866/1069/DC1/1 
Bioinspired Design and Assembly of Platelet Reinforced Polymer Films, Lorenz J. Bonderer, et al. Science 319, 1069 (2008); DOI: 10.1126/science.1148726
http://www.sciencemag.org/cgi/content/full/sci;319/5866/1053#ref4 
http://www.clean.cise.columbia.edu//process/spintheory.pdf 
http://en.wikipedia.org/wiki/Spin_coating 
http://en.wikipedia.org/wiki/Sonication 
http://en.wikipedia.org/wiki/Cell_disruption 
http://rsta.royalsocietypublishing.org/content/367/1893/1587.full 
http://www.nanowerk.com/spotlight/spotid=2131.php 
http://www.nytimes.com/2005/03/22/science/22abal.html

Bioinspirert design og sammensetting av plateforsterkede polymerfilmer

2009-03-23T11:21:32Z

Eirikgje: /* Anvendte teknikker */

== Innledning ==
[[Bilde:fuflogfly.jpg|right|thumb|350px|NASA har utviklet et fly som kan endre form og lengde på vingene for minst mulig motstand og turbulens under flygingen, og som kan splitte opp vingespissene ved landing. Designet er inspirert av hvithodehavørnen, vist til vesntre.]]
Naturen har gjennom millioner av år med evolusjon utviklet sofistikerte og effektive materialer til forskjellige formål. Vi mennesker har kun eksistert en brøkdel av denne tidsperioden, og på tross av at vi er en av de dyktigste livsformene hva gjelder utvikling av forskjellige redskaper, har vi fortsatt mye å lære av andre organismer. I naturen finnes hundrevis av eksempler på fremgangsmåter, kamuflasje og smarte materialer, som vi bare såvidt har begynt å utforske. Noen eksempler er fly konstruert etter inspirasjon fra fuglers flyteknikk, svømmedrakter designet på samme måte som haihud, og en kamuflasjegel som reflekterer lyset fra omgivelsene, inspirert av blekksprutens evne til å skifte farge.

== Inspirasjon ==
Så og si alle biologiske komposittmaterialer har spesifikke strukturegenskaper på alle lengdeskalaer, fra molekylær, via nanoskopisk og mikroskopisk, til makroskopisk. Innen nanoteknologi er det spesielt interessant å utforske hvordan naturen har utviklet materialer på mikro- og nanoskala for å få dem best mulig egnet til deres bruk.

Mange organismer har bruk for harde og slitesterke materialer. For mennesker og andre dyr er det viktig å ha sterke tenner og skjelett, for mindre organismer er det viktig med harde skall for å beskytte de bløte delene. Et eksempel på dette er forskjellige skjell, som bygger skallet sitt ved hjelp av nanostrukturerte aragonitt(CaC03, kanskje bedre kjent som kritt)-plater omgitt av lag med elastiske biopolymerer som kitin, lustrin og andre proteiner. Denne oppbygningen av materialet gjør det 3000 ganger sterkere enn rent aragonitt, og det er denne enorme forskjellen som gjør at forskere i lang tid har prøvd å lære mer om oppbygningen. Håpet må være at vi innen en stadig minkende tidshorisont kan bruke denne kunnskapen til å masseprodusere sterkere og lettere stoffer enn tidligere.

== Utfordring ved bruk av nanobyggestener ==
Nanobyggestener er hver for seg tilnærmet ideelle materialer, med høy strekkstyrke og Young's modulus. Dessverre er det ikke slik at man kan hive sammen en haug av nanopartikler, og oppnå et materiale i bulk med egenskaper lik summen av partiklene det er satt sammen av. Det har vist seg at polymerer styrket med nanomaterialer har langt dårligere egenskaper enn de enkelte byggestenene hver for seg. Unntaket er hvis volumprosenten av det styrkende nanomaterialet er lav. Dette kan antakeligvis forklares ved viktigheten av struktur i komposittmaterialet. Hvis man bruker en høy volumprosent av nanopartikler er det vanskelig å kontrollere strukturen, spesielt fordi partiklene har en tendens til å aggregere og danne bulk materiale. Det er ønskelig at nanoelementene i komposittmaterialet rangerer seg på en ordnet måte, uten å klumpe seg sammen, da dette maksimerer kontaktflaten mellom nanopartikler og polymer.

En annen utfordring er selve produksjonen. Det er svært vanskelig å kontrollere oppførselen til et materiale på nanoskala. Det finnes muligheter for å plassere en og en partikkel f.eks med en AFM spiss, men hvis produksjon skal foregå på litt større skala må man ty til selvorganisering. For å oppnå ønsket resultat ved selvorganisering trengs inngående kunnskap om nanomaterialets fysiske og kjemiske egenskaper.

== Oppbygningen av skjellet ==
[[Bilde:nacreAFMPC.jpg|left|thumb|250px|Oppbygningen av Abalonskjellet, med polygonformede biokrystaller omggitt av proteiner. Bilde tatt med AFM og fasekontrast. [1]]]

''Haliotis Rufescens'' (Rød Abalon, Regnbuestein) er en av de sterkeste skjellene hva gjelder fysiske egenskaper. Innsiden har et regnbuefarget utseende, litt på samme måten som en CD, og denne likheten er det første indisiet på at vi har med en mikro- eller nanostruktur å gjøre. Allerede i 1955 kunne ''Grégoire et al.'' bevise at skjellene består av plater med organiske forbindelser, og ''Weiner'' kunne i 1986 fastslå at det dreide seg om plater på ca. ~5 µm i diameter, og med en tykkelse på 0.5µm, omgitt av et biopolymer. Ved å studere skjellet med AFM, SEM og TEM, har man med tiden kartlagt oppbygningen til materialet; skjellene består polygoniske biomineraler av aragonitt/kritt(CaCO3) separert av tynne (~45nm) lag med elastiske, organiske polymer-lignende proteiner, slik at strukturen på nano-skala ligner makroskopiske murvegger, med krystallene som "mursteiner" og proteinene som "sement". Det finnes to forskjellige strukturformer i skjellene; kolonne- og trappeform.
[[Bilde:nacreSEMcross.jpg|right|thumb|250px|Tversnitt av Abalonskjellet, tatt med SEM. [2]]]
Kolonneform betyr at sentrum av hver krystallplate ligger omtrent rett over sentrum av plata under. Når sentrum i hver plate ligger omtrent over skjøten mellom de underliggende platene, omtrent på samme måte som i murvegger, kalles dette trappeform. Det som fascinerer mest med denne oppbygningen er at hovedbestanddelen (95%) av materialet er kritt, et av naturens mest skjøre materialer (tenk tavlekritt, eggeskall etc). Oppbygningen i skjellene gjør at materialet tåler 3000 ganger så mye som aragonitt i vanlig bulk-form. Den samme strukturen finnes blant annet i ben hos alle større dyr, blant annet hos mennesket. Vår benbygning består på samme måte av plater med mineralet kalsium- hydroksyapatitt, omgitt av et mykere vev av kollagen. Den viktigste forskjellen mellom skjellene og vår benbygning er likevel at våre ben består av relativt sett mindre mineraler i forhold til det mykere biopolymeret (~95% for skjellene og ~45% i vår benbygning). Dette gjør at mens skjellene er hardere enn vår benbygning, tåler vi mer støt, strekk og bøying før materialet gir etter.

(En liten digresjon for de spirituelle (fra Alternativ Helse): "Abalon er god for kjærlighet, romantikk, god mat, og kreativitet (spesielt lyrikk og musikk) (...) Beskytter mot negative energier, spesielt sinne, depresjon, frykt, og tristhet. (...) fører til inspirasjon og kreativitet, spesielt innen skriving. Denne virkningen er sterkest til skapende skriving, som poesi og lyrikk, men er også fin innen forretning eller skoleskriving.")

== Dimensjoner og materialer ==
Biomimikk går ut på å imitere naturen nøyaktig for å bygge opp materialer med de egenskapene man finner i naturen. Bioinspirasjon derimot, handler om å hente inspirasjon fra naturens mange kilder, for så å utvikle videre et syntetisk materiale med helt spesifikke egenskaper, som kan overskride naturen på flere områder. Vi har mange flere materialer å velge mellom enn naturen, kan variere dimensjoner og strukturer på alle lengdeskalaer, og har dermed mange flere variable å utforske for å oppnå akkurat de egenskapene vi er ute etter. Dette er imidlertid lettere sagt en gjort, konstruksjonen av ben eller skjell lignende strukturer har vist seg å være ekstremt vanskelig, spesielt fordi det er meget utfordrene å finne generelle teknikker som fungerer for forskjellige materialer. Vi skal derfor her ta for oss en spesifikk type polymerfilm.

Før valg av materiale gjelder det å få oversikt over hvilke egenskaper den organiske og den uorganiske fasen bør ha, og hvor stor prosentandel man ideelt sett bør bruke av hver av dem.

Hvis man kjenner til styrken til de forskjellige materialene hver for seg samt volumprosenten av plater, kan man regne ut den totale styrken til hybridmaterialet ved følgende formel:
:<math>\sigma_c = \alpha V_p \sigma_p + (1-V_p)\sigma_m</math>
Der <math>\sigma_c</math> er maksimal strekkstyrke (tensile strength) til materialet, <math>V_p</math> er volumprosenten av plater, <math>\sigma_p</math> og <math>\sigma_m</math> er strekkstyrken til henholdsvis platene og polymermaterialet i matrisen rundt platene. <math>\alpha</math> er en funksjon av s, <math>\tau_y</math> og <math>\sigma_p</math>, der s er forholdet mellom lengde og tykkelse på platene (aspektrate) og <math>\tau_y</math> er flyt skjærstyrken (yield shear stength) til polymermatrisen.

[[Bilde:Brudd copy.jpg|left|thumb|250px|Den øverste figuren viser hvordan filmen vil knekke hvis <math>s>s_c</math>, mens den nederste figuren illustrerer hvordan materialet kan bli styrket hvis <math>s<s_c</math>, og platene er fleksible i polymermatrisen i stedet for å knekke tvert av ved en påført kraft.]]
Uttrykket for <math>\alpha</math> avhenger av s, aspektraten til platene. Hvis s er høyere enn en kritisk verdi <math>s_c</math>, vil hybridmaterialet knekke tvert av ved en viss påført kraft. I dette tilfellet uttrykkes <math>\alpha</math> på følgende måte:
:<math>\alpha = 1-\frac{\sigma_p}{2\tau_y s}</math>

Hvis s derimot er mindre enn den kritiske verdien <math>s_c</math>, vil platene være fleksible i polymermatrisen når en kraft påføres, og det skal mye mer til før materialet går helt i stykker. I dette tilfellet uttrykkes <math>\alpha</math> som følger:
:<math>\alpha = \frac{\tau_y s}{2\sigma_p}</math>

Den ønskelige situasjonen er sistnevnte, der <math>s<s_c</math>. For å oppnå maksimal styrke på alle måter bør s være nært oppunder <math>s_c</math>.

<math>s_c</math> er en funksjon av <math>\sigma_p</math> og <math>\tau_y</math>: <math>s_c = \frac{\sigma_p}{\tau_y}</math>

Naturen har begrenset med materialer å velge mellom. Nacre er for eksempel bygget opp av aragonittplater i et organisk materiale, og <math>s_c</math> befinner seg da et sted mellom 9 og 12,5, noe som er en relativt lav verdi. Aragonitt har en <math>\sigma_p</math> verdi på mellom 360 og 500 MPa, mens syntetiske uorganiske plater kan ha <math>\sigma_p</math> verdier mellom 2 og 5 GPa. Dette gir rom for å bruke plater med en merkbart høyere aspektrate, uten å overskride den kritiske verdien <math>s_c</math>.

Volumprosenten av uorganiske plater har mye å si for filmens egenskaper. For få plater gir et materiale som tåler mye deformering før det ødelegges, men som til gjengjeld er mykt og lite beskyttende. For mange plater gjør materialet hardt og stivt, men da blir det også skjørt og følsomt for sprekker. Hvis volumprosenten er altfor høy vil dessuten ikke platene organisere seg i en ordnet struktur som gir de egenskapene vi er ute etter. Her ønskes et materiale som både er hardt og fleksibelt.

[[Bilde:volumprosent.jpg|center|thumb|800px|Figur A, B og C inneholder henholdsvis 5, 11 og 60 vol% <math>Al_2O_3</math> plater. Man ser at ved 60 vol% blir strukturen uordnet og hullete, mens platene beholder sin struktur for vol% lavere enn 20. Lengdeskalaen på bildene er henholdsvis 10, 5 og 2µm.]]

[[Bilde:stress vs strain.jpg|right|thumb|300px|Denne figuren viser hvordan komposittmaterialet tåler mer og mer påført kraft før det deformeres ettersom volumprosenten av plater økes fra null og opp imot 20]]
Bonderer ''et al.'' (ref: bioinspired artikkelen) valgte å lage en forsterket polymerfilm med 15 vol% aluminiumoksidplater i en matrise av kitosan. Aluminiumsplatene har en estimert strekkstyrke <math>\sigma_p</math> på 2 GPa (der aragonitt til sammenligning har en strekkstyrke mellom 360 og 500 MPa), og kitosan har en flyt skjærstyrke på ca 40MPa. Dette gir en kritisk verdi <math>s_c</math> på omtrent 50, noe som er mye høyere enn hva man finner i skjellstrukturer i naturen (<math>9<s_c<12,5</math> for nacre). Man kan dermed øke aspektraten (s) og fortsatt beholde en fleksibel oppførsel ved påført kraft, noe som gjør at materialet tåler mer. I dette eksempelet valgte forskerne en aspektrate på 40, og plater med en tykkelse på ca 200nm. Tykkelsen er på samme nivå som platene funnet i nacre, men i og med at aspektraten er høyere kan platene være lengre, og dette øker effektiviteten av kraftskifting (load transfer) til de uorganiske platene. Volumprosenten ble satt til 15 på grunnlag av observasjonene vist i figur___, der man ser at volumprosenter over 20 gir materialet en hullete og dårlig struktur. I tillegg ble dette valget basert på observasjoner av hvor mye materialet deformeres som følger av påført kraft, som vist i figur__.

Podsiadlo og hans kolleger har prøvd seg med montmorillonitt (MTM) leirplater i en matrise av polyvinylalkohol (PVA). De har fokusert på kjemien i grensesnittet mellom platene og polymermatrisen for å maksimere kraftoverføring til den sterkere uorganiske fasen.

== Produksjon ==
=== Metoder ===
Som nevnt tidligere finnes det ingen enkel og generell oppskrift på hvordan man kan produsere disse harde og sterke materialene. Ethvert materiale har spesifikke egenskaper, og det er ofte åpent for å anvende en ny teknikk som kun fungerer for et gitt materiale. Etter mye forskning, prøving og feiling, har man likevel kommet fram til noen fabrikasjonsmetoder som er mer generelle enn andre. Disse kan deles opp i følgende fire kategorier:
*'''Selvorganisering og "bottom up"'''
Denne metoden er nyttig i produksjonen av harde materialer, og drar nytte av visse elementers evne til å adsorbere og selvorganisere på en overflate.
*'''Elektroforetisk deposisjon'''
Denne metoden baserer seg på at ladde partikler selvorganiserer under påvirkning av et elektrisk felt. Ladde nanopartikler blandes i en suspensjon, og ved å sette på et eksternt elektrisk felt vil disse migrere til og feste seg på elektroden.
*'''Lag på lag metoden'''
Dette er en enkel metode for å produsere tynne filmer, gjerne med alternerende organisk-uorganisk fase. Et ladd substrat dyppes annenhver gang i motsatt ladde løsninger av polyelektrolytter.
*'''Templat inhibering'''

=== Anvendte teknikker ===
Noen av ovennevnte fabrikasjonsmetoder innebærer bruken av teknikker som krever en kort forklaring:

*'''Dip coating: Dypp-belegging'''
[[Bilde:Dip coating.gif|left|thumb|300px|De tre trinnene i dypp-beleggingsprosessen]]
Som det fremkommer av navnet beskriver dette en metode for å belegge noe med et tynt lag av noe annet. Vanligvis deles prosessen inn i fire deler: Først senkes gjenstanden som skal belegges ned i et beleggingsmateriale med konstant hastighet. Deretter lar man gjenstanden hvile i løsningen av beleggingsmateriale, slik at det skal få tid til å feste seg på overflaten. Etter en gitt tid trekkes gjenstanden opp igjen av løsningen, fortsatt med konstant hastighet for å unngå ujevnheter i filmen som blir lagt igjen på overflaten. Til slutt må filmen tørkes, slik at kun materialet som filmen skal bestå av er igjen på overflaten. Dette skjer oftest ved at løsning fordamper.
Det som i hovedsak bestemmer tykkelsen på filmen er hastigheten gjenstanden blir trukket opp igjen fra løsningen med. Jo høyere hastighet, jo tykkere film.

*'''Spin coating: Rotasjonsbelegging'''
[[Bilde:spincoating.jpg|right|thumb|300px|Prosessen i spin-coating og en representasjon av tykkelsen på laget som følge av rotasjonshastighet]]
Dette beskriver en annen teknikk for å belegge noe med en tynn film. Rotasjonsbelegging består i hovedsak av tre trinn: Påføring, rotasjon og tørking. Først dryppes eller sprayes beleggingsmaterialet, i flytende form, på sentrum av overflaten av gjenstanden som skal belegges. Belegget påføres i overflod i forhold til hva som blir igjen ved slutten av prosessen. Deretter settes gjenstanden inn i en maskin som kan rotere med høy hastighet. Når maskinen roterer vil belegget spres som følger av sentrifugalkraften, og til slutt renne over kanten av overflaten. Hastigheten bestemmer man selv, og avhenger av hvor tykk filmen skal være, og hva slags materiale den består av. Jo høyere vinkelhastighet, jo tynnere film. Vanligvis er løsningen volatil, og fordamper samtidig som gjenstanden roteres. Dette gjør at konsentrasjonen av løsningen også spiller inn på tykkelsen av filmen, der høy konsentrasjon gir en tykkere film enn lav konsentrasjon.
Andre faktorer som spiller inn på tykkelsen og egenskapene til filmen er: Akselerasjon til endelig rotasjonshastighet, rotasjonstid, viskositet til beleggingsvesken, fordampningshastighet, overflatespenning, temperatur, luftfuktighet osv.

*'''Sonication: Lydbehandling'''
Lydbehandling består i å tilføre energi til en prøve ved bruk av lydbølger, vanligvis ultralyd. Den høyfrekvente lyden blir generert elektronisk, og tilføres videre som mekanisk energi til prøven via en metallprobe som oscillerer med høy frekvens. Et såkalt ultralydbad kan også brukes. Når partiklene får høyere energi vil de bevege seg mer, og dette kan utnyttes på flere måter. Intermolekylære bånd kan brytes, noe som kan brukes til å løse opp og blande stoffer svært raskt. Energien tilført kan også utnyttes for å få en kjemisk reaksjon til å gå, til å fjerne oppløst gass fra en væske eller til å starte en krystalliseringsprosess. Innen biologi kan lydbehandling brukes til å ødelegge cellemembraner, for så å frigjøre det som befinner seg inne i cellen. Et mer populært bruksområde er rengjøring, fordi lydbehandling kan brukes til å løsne partikler fra en overflate. Denne typen rengjøring blir ofte brukt på briller og smykker.

=== Fremgangsmåte ===
Flere materialer har blitt prøvd ut for å lage lignende polymerfilmer, men her skal vi se på produksjonen av en film satt sammen av aluminiumsplater og kitosan. Kitosan er en biopolymer som produseres fra råstoffet kitin, som man i Norge hovedsakelig utvinner fra rekeskall.

Hovedidéen bak produksjonsprosessen er at man skal legge aluminiumsplater og kitosan lagvis oppå hverandre, inntil man oppnår en film med en tykkelse på mindre enn noen titalls mikrometer. Hvert lag må altså være svært tynt, og aluminiumsplatene må ikke ligge klumpet oppå hverandre.

På grunn av sin lave størrelse kan aluminiumsplatene ses på som kolloidale partikler, og har evnen til å adsorbere på overflaten mellom luft og vann. Det blir utnyttet her. For å lette adsorpsjonen blir først noe hydrofobe silankjeder (aminopropyltriethoxysilane, ATES) festet på den ene siden av aluminiumsplatene. En silankjede kan ses på som ekvivalent til et alkan, der karbonet er byttet ut med silisium. Festeprosessen blir gjort ved å tilsette plater i en løsning av ATES, løsningen lydbehandles så i fem minutter og blandes i 30 min ved 40graderC. Platene blir så vasket med etanol ved hjelp av sentrifugering. Silankjedene som festes på aluminiumsplatene har en aminogruppe på enden, som senere er ment å danne hydrogenbånd med oksygenet i kitosan.

For å danne en tett og homogen langmuirfilm av plater på vannoverflaten lages først en suspensjon av plater i etanol. Suspensjonen består av 1 vol% plater. Denne løsningen blir så dryppet på en vannoverflate, og videre behandlet i 15-30 min med lydbehandling. I løpet av lydbehandlingen dannes også elektriske dobbeltlag mellom de likt ladde aluminiumsplatene, og frastøtningskreftene mellom dem bidrar til bedre struktur i monolaget.

Monolaget blir så overført til en glassplate ved bruk av dypp-belegging og tørking ved 50graderC. Neste steg er å belegge dette igjen med et tynt lag av kitosan, noe som blir gjort ved rotasjonsbelegging. Beleggingsløsningen blir laget ved å la kitosan ligge i en 0,34 M løsning av eddiksyre i minst 24 timer. Eddiksyren er ment å protonere kitosan makromolekylene og amingruppene på enden av silankjedene, for å lette dannelsen av hydrogenbond mellom den organiske og uorganiske fasen. Rotasjon utføres i 40 sekunder med en hastighet på 2000 rpm, hvorpå kitosanlaget tørkes ved 50graderC. Tykkelsen av polymerlaget kan bestemmes ved å endre konsentrasjonen av kitosan i beleggingsløsningen.

Disse trinnene blir så gjentatt inntil ønsket tykkelse på filmen er oppnådd, noe som vanligvis tilsvarer mellom 8 og 10 lag av plater. Når filmen er ferdig fjernes den fra glassplaten med et barberblad.
 

==Andre prosjekter på området==
Ved University of California bruker man en annen innfallsvinkel og bruker kunnskapen om skjellenes holdbarhet til å lage sterkere metallegeringer. Man legger lagvis tynne plater av Titan og Aluminium oppå hverandre på samme måte som krittplatene i skjellet, adskilt av en myk Titan-legering, som tar rollen som det myke vevet rundt platene. Mange produsenter innen spesielt flybransjen ser på dette som en god erstatning for materialet som i dag brukes i flykroppen, siden det gir et mye sterkere materiale per vekt enn i dagens fly. Materialet i seg selv er sterkere enn murstein, og den største fordelen er at eventuelle sprekkdannelser sprer seg i materialet heller enn at materialet knekker på et bestemt sted. Disse egenskapene gjør at materialet også kunne brukes som lett pansring i militære sammenhenger.

==Applikasjoner==
* Biologiske eller syntetiske nacre-lignende materialer har evnen til å integrere seg i benstrukturer, og kan dermed brukes innen biomedisin, spesielt innen ortopedi og tannbehandling.
* Applikasjoner for lsterke polymerer; Mer bruk av polymerer som erstatning for korroderende metaller i bygninger, fly, biler, båter etc., forbruksvarer (strikken som aldri ryker)
* Applikasjoner for lettere og mer holdbare keramer;

 

==Relevans for nanoteknologer==
Dette eksempelet viser at det er viktig for nanoteknologer å la seg inspirere av naturens nanostrukturer, men samtidig også slippe seg løs og finne nye materialer og løsninger som er bedre egnet enn det naturen kan få til. Kanskje har også naturen enda mer å gå på evolusjonsmessig; det lønner seg å utforske forskjellige variasjoner av oppbygningen. Naturen har imidlertid også en fordel når det kommer til oppbygning av nanostrukturerte materialer; mens vi aktivt hele tiden må vurdere strukturer, tykkelse av lag, materialer, kostnad etc. for å få best mulig materiale (dvs med minst mulig feil og best mulig egenskaper), klarer organismer vha DNA og RNA å bygge mikro- og nanostrukturer med en utrolig nøyaktighet og nærmest uten feil. Eksemplet på dette er når ''Bonderer et al.'' ikke klarer å lage polymerfilmer med høy platekonsentrasjon med tilstrekkelig regelmessig struktur. 
Man kan også lære av tankegangen i dette forsøket; i stedet for å lage mer holdbare keramer, som er formålet med skjellenes oppbygning, bruker man det man har lært fra skjellene til å lage sterkere polymerer for andre formål.

 

== Kilder ==

[1] http://hal.archives-ouvertes.fr/docs/00/09/20/27/PDF/Bourrat-BioMin-2005.pdf 
[2] http://www.biophysik.uni-bremen.de/fritz/research.html 
http://nysgjerrigper.no/Artikler/2005/april/med-naturen-som-fasit 
http://arjournals.annualreviews.org/doi/full/10.1146/annurev.physchem.51.1.601?amp;searchHistoryKey=${searchHistoryKey}&cookieSet=1 
http://www.sciencemag.org/cgi/reprint/318/5847/80.pdf 
(Den spirituelle digresjonen):"http://www.althelse.com/steiner-&-krystaller/1228-abalone.html?showall=1" 
http://www.sciencemag.org/cgi/data/319/5866/1069/DC1/1 
Bioinspired Design and Assembly of Platelet Reinforced Polymer Films, Lorenz J. Bonderer, et al. Science 319, 1069 (2008); DOI: 10.1126/science.1148726
http://www.sciencemag.org/cgi/content/full/sci;319/5866/1053#ref4 
http://www.clean.cise.columbia.edu//process/spintheory.pdf 
http://en.wikipedia.org/wiki/Spin_coating 
http://en.wikipedia.org/wiki/Sonication 
http://en.wikipedia.org/wiki/Cell_disruption 
http://rsta.royalsocietypublishing.org/content/367/1893/1587.full 
http://www.nanowerk.com/spotlight/spotid=2131.php 
http://www.nytimes.com/2005/03/22/science/22abal.html

Fil:Spincoat.jpg

2009-03-23T11:20:01Z

Eirikgje:

Bioinspirert design og sammensetting av plateforsterkede polymerfilmer

2009-03-23T11:09:51Z

Eirikgje: /* Kilder */

== Innledning ==
[[Bilde:fuflogfly.jpg|right|thumb|350px|NASA har utviklet et fly som kan endre form og lengde på vingene for minst mulig motstand og turbulens under flygingen, og som kan splitte opp vingespissene ved landing. Designet er inspirert av hvithodehavørnen, vist til vesntre.]]
Naturen har gjennom millioner av år med evolusjon utviklet sofistikerte og effektive materialer til forskjellige formål. Vi mennesker har kun eksistert en brøkdel av denne tidsperioden, og på tross av at vi er en av de dyktigste livsformene hva gjelder utvikling av forskjellige redskaper, har vi fortsatt mye å lære av andre organismer. I naturen finnes hundrevis av eksempler på fremgangsmåter, kamuflasje og smarte materialer, som vi bare såvidt har begynt å utforske. Noen eksempler er fly konstruert etter inspirasjon fra fuglers flyteknikk, svømmedrakter designet på samme måte som haihud, og en kamuflasjegel som reflekterer lyset fra omgivelsene, inspirert av blekksprutens evne til å skifte farge.

== Inspirasjon ==
Så og si alle biologiske komposittmaterialer har spesifikke strukturegenskaper på alle lengdeskalaer, fra molekylær, via nanoskopisk og mikroskopisk, til makroskopisk. Innen nanoteknologi er det spesielt interessant å utforske hvordan naturen har utviklet materialer på mikro- og nanoskala for å få dem best mulig egnet til deres bruk.

Mange organismer har bruk for harde og slitesterke materialer. For mennesker og andre dyr er det viktig å ha sterke tenner og skjelett, for mindre organismer er det viktig med harde skall for å beskytte de bløte delene. Et eksempel på dette er forskjellige skjell, som bygger skallet sitt ved hjelp av nanostrukturerte aragonitt(CaC03, kanskje bedre kjent som kritt)-plater omgitt av lag med elastiske biopolymerer som kitin, lustrin og andre proteiner. Denne oppbygningen av materialet gjør det 3000 ganger sterkere enn rent aragonitt, og det er denne enorme forskjellen som gjør at forskere i lang tid har prøvd å lære mer om oppbygningen. Håpet må være at vi innen en stadig minkende tidshorisont kan bruke denne kunnskapen til å masseprodusere sterkere og lettere stoffer enn tidligere.

== Utfordring ved bruk av nanobyggestener ==
Nanobyggestener er hver for seg tilnærmet ideelle materialer, med høy strekkstyrke og Young's modulus. Dessverre er det ikke slik at man kan hive sammen en haug av nanopartikler, og oppnå et materiale i bulk med egenskaper lik summen av partiklene det er satt sammen av. Det har vist seg at polymerer styrket med nanomaterialer har langt dårligere egenskaper enn de enkelte byggestenene hver for seg. Unntaket er hvis volumprosenten av det styrkende nanomaterialet er lav. Dette kan antakeligvis forklares ved viktigheten av struktur i komposittmaterialet. Hvis man bruker en høy volumprosent av nanopartikler er det vanskelig å kontrollere strukturen, spesielt fordi partiklene har en tendens til å aggregere og danne bulk materiale. Det er ønskelig at nanoelementene i komposittmaterialet rangerer seg på en ordnet måte, uten å klumpe seg sammen, da dette maksimerer kontaktflaten mellom nanopartikler og polymer.

En annen utfordring er selve produksjonen. Det er svært vanskelig å kontrollere oppførselen til et materiale på nanoskala. Det finnes muligheter for å plassere en og en partikkel f.eks med en AFM spiss, men hvis produksjon skal foregå på litt større skala må man ty til selvorganisering. For å oppnå ønsket resultat ved selvorganisering trengs inngående kunnskap om nanomaterialets fysiske og kjemiske egenskaper.

== Oppbygningen av skjellet ==
[[Bilde:nacreAFMPC.jpg|left|thumb|250px|Oppbygningen av Abalonskjellet, med polygonformede biokrystaller omggitt av proteiner. Bilde tatt med AFM og fasekontrast. [1]]]

''Haliotis Rufescens'' (Rød Abalon, Regnbuestein) er en av de sterkeste skjellene hva gjelder fysiske egenskaper. Innsiden har et regnbuefarget utseende, litt på samme måten som en CD, og denne likheten er det første indisiet på at vi har med en mikro- eller nanostruktur å gjøre. Allerede i 1955 kunne ''Grégoire et al.'' bevise at skjellene består av plater med organiske forbindelser, og ''Weiner'' kunne i 1986 fastslå at det dreide seg om plater på ca. ~5 µm i diameter, og med en tykkelse på 0.5µm, omgitt av et biopolymer. Ved å studere skjellet med AFM, SEM og TEM, har man med tiden kartlagt oppbygningen til materialet; skjellene består polygoniske biomineraler av aragonitt/kritt(CaCO3) separert av tynne (~45nm) lag med elastiske, organiske polymer-lignende proteiner, slik at strukturen på nano-skala ligner makroskopiske murvegger, med krystallene som "mursteiner" og proteinene som "sement". Det finnes to forskjellige strukturformer i skjellene; kolonne- og trappeform.
[[Bilde:nacreSEMcross.jpg|right|thumb|250px|Tversnitt av Abalonskjellet, tatt med SEM. [2]]]
Kolonneform betyr at sentrum av hver krystallplate ligger omtrent rett over sentrum av plata under. Når sentrum i hver plate ligger omtrent over skjøten mellom de underliggende platene, omtrent på samme måte som i murvegger, kalles dette trappeform. Det som fascinerer mest med denne oppbygningen er at hovedbestanddelen (95%) av materialet er kritt, et av naturens mest skjøre materialer (tenk tavlekritt, eggeskall etc). Oppbygningen i skjellene gjør at materialet tåler 3000 ganger så mye som aragonitt i vanlig bulk-form. Den samme strukturen finnes blant annet i ben hos alle større dyr, blant annet hos mennesket. Vår benbygning består på samme måte av plater med mineralet kalsium- hydroksyapatitt, omgitt av et mykere vev av kollagen. Den viktigste forskjellen mellom skjellene og vår benbygning er likevel at våre ben består av relativt sett mindre mineraler i forhold til det mykere biopolymeret (~95% for skjellene og ~45% i vår benbygning). Dette gjør at mens skjellene er hardere enn vår benbygning, tåler vi mer støt, strekk og bøying før materialet gir etter.

(En liten digresjon for de spirituelle (fra Alternativ Helse): "Abalon er god for kjærlighet, romantikk, god mat, og kreativitet (spesielt lyrikk og musikk) (...) Beskytter mot negative energier, spesielt sinne, depresjon, frykt, og tristhet. (...) fører til inspirasjon og kreativitet, spesielt innen skriving. Denne virkningen er sterkest til skapende skriving, som poesi og lyrikk, men er også fin innen forretning eller skoleskriving.")

== Dimensjoner og materialer ==
Biomimikk går ut på å imitere naturen nøyaktig for å bygge opp materialer med de egenskapene man finner i naturen. Bioinspirasjon derimot, handler om å hente inspirasjon fra naturens mange kilder, for så å utvikle videre et syntetisk materiale med helt spesifikke egenskaper, som kan overskride naturen på flere områder. Vi har mange flere materialer å velge mellom enn naturen, kan variere dimensjoner og strukturer på alle lengdeskalaer, og har dermed mange flere variable å utforske for å oppnå akkurat de egenskapene vi er ute etter. Dette er imidlertid lettere sagt en gjort, konstruksjonen av ben eller skjell lignende strukturer har vist seg å være ekstremt vanskelig, spesielt fordi det er meget utfordrene å finne generelle teknikker som fungerer for forskjellige materialer. Vi skal derfor her ta for oss en spesifikk type polymerfilm.

Før valg av materiale gjelder det å få oversikt over hvilke egenskaper den organiske og den uorganiske fasen bør ha, og hvor stor prosentandel man ideelt sett bør bruke av hver av dem.

Hvis man kjenner til styrken til de forskjellige materialene hver for seg samt volumprosenten av plater, kan man regne ut den totale styrken til hybridmaterialet ved følgende formel:
:<math>\sigma_c = \alpha V_p \sigma_p + (1-V_p)\sigma_m</math>
Der <math>\sigma_c</math> er maksimal strekkstyrke (tensile strength) til materialet, <math>V_p</math> er volumprosenten av plater, <math>\sigma_p</math> og <math>\sigma_m</math> er strekkstyrken til henholdsvis platene og polymermaterialet i matrisen rundt platene. <math>\alpha</math> er en funksjon av s, <math>\tau_y</math> og <math>\sigma_p</math>, der s er forholdet mellom lengde og tykkelse på platene (aspektrate) og <math>\tau_y</math> er flyt skjærstyrken (yield shear stength) til polymermatrisen.

[[Bilde:Brudd copy.jpg|left|thumb|250px|Den øverste figuren viser hvordan filmen vil knekke hvis <math>s>s_c</math>, mens den nederste figuren illustrerer hvordan materialet kan bli styrket hvis <math>s<s_c</math>, og platene er fleksible i polymermatrisen i stedet for å knekke tvert av ved en påført kraft.]]
Uttrykket for <math>\alpha</math> avhenger av s, aspektraten til platene. Hvis s er høyere enn en kritisk verdi <math>s_c</math>, vil hybridmaterialet knekke tvert av ved en viss påført kraft. I dette tilfellet uttrykkes <math>\alpha</math> på følgende måte:
:<math>\alpha = 1-\frac{\sigma_p}{2\tau_y s}</math>

Hvis s derimot er mindre enn den kritiske verdien <math>s_c</math>, vil platene være fleksible i polymermatrisen når en kraft påføres, og det skal mye mer til før materialet går helt i stykker. I dette tilfellet uttrykkes <math>\alpha</math> som følger:
:<math>\alpha = \frac{\tau_y s}{2\sigma_p}</math>

Den ønskelige situasjonen er sistnevnte, der <math>s<s_c</math>. For å oppnå maksimal styrke på alle måter bør s være nært oppunder <math>s_c</math>.

<math>s_c</math> er en funksjon av <math>\sigma_p</math> og <math>\tau_y</math>: <math>s_c = \frac{\sigma_p}{\tau_y}</math>

Naturen har begrenset med materialer å velge mellom. Nacre er for eksempel bygget opp av aragonittplater i et organisk materiale, og <math>s_c</math> befinner seg da et sted mellom 9 og 12,5, noe som er en relativt lav verdi. Aragonitt har en <math>\sigma_p</math> verdi på mellom 360 og 500 MPa, mens syntetiske uorganiske plater kan ha <math>\sigma_p</math> verdier mellom 2 og 5 GPa. Dette gir rom for å bruke plater med en merkbart høyere aspektrate, uten å overskride den kritiske verdien <math>s_c</math>.

Volumprosenten av uorganiske plater har mye å si for filmens egenskaper. For få plater gir et materiale som tåler mye deformering før det ødelegges, men som til gjengjeld er mykt og lite beskyttende. For mange plater gjør materialet hardt og stivt, men da blir det også skjørt og følsomt for sprekker. Hvis volumprosenten er altfor høy vil dessuten ikke platene organisere seg i en ordnet struktur som gir de egenskapene vi er ute etter. Her ønskes et materiale som både er hardt og fleksibelt.

[[Bilde:volumprosent.jpg|center|thumb|800px|Figur A, B og C inneholder henholdsvis 5, 11 og 60 vol% <math>Al_2O_3</math> plater. Man ser at ved 60 vol% blir strukturen uordnet og hullete, mens platene beholder sin struktur for vol% lavere enn 20. Lengdeskalaen på bildene er henholdsvis 10, 5 og 2µm.]]

[[Bilde:stress vs strain.jpg|right|thumb|300px|Denne figuren viser hvordan komposittmaterialet tåler mer og mer påført kraft før det deformeres ettersom volumprosenten av plater økes fra null og opp imot 20]]
Bonderer ''et al.'' (ref: bioinspired artikkelen) valgte å lage en forsterket polymerfilm med 15 vol% aluminiumoksidplater i en matrise av kitosan. Aluminiumsplatene har en estimert strekkstyrke <math>\sigma_p</math> på 2 GPa (der aragonitt til sammenligning har en strekkstyrke mellom 360 og 500 MPa), og kitosan har en flyt skjærstyrke på ca 40MPa. Dette gir en kritisk verdi <math>s_c</math> på omtrent 50, noe som er mye høyere enn hva man finner i skjellstrukturer i naturen (<math>9<s_c<12,5</math> for nacre). Man kan dermed øke aspektraten (s) og fortsatt beholde en fleksibel oppførsel ved påført kraft, noe som gjør at materialet tåler mer. I dette eksempelet valgte forskerne en aspektrate på 40, og plater med en tykkelse på ca 200nm. Tykkelsen er på samme nivå som platene funnet i nacre, men i og med at aspektraten er høyere kan platene være lengre, og dette øker effektiviteten av kraftskifting (load transfer) til de uorganiske platene. Volumprosenten ble satt til 15 på grunnlag av observasjonene vist i figur___, der man ser at volumprosenter over 20 gir materialet en hullete og dårlig struktur. I tillegg ble dette valget basert på observasjoner av hvor mye materialet deformeres som følger av påført kraft, som vist i figur__.

Podsiadlo og hans kolleger har prøvd seg med montmorillonitt (MTM) leirplater i en matrise av polyvinylalkohol (PVA). De har fokusert på kjemien i grensesnittet mellom platene og polymermatrisen for å maksimere kraftoverføring til den sterkere uorganiske fasen.

== Produksjon ==
=== Metoder ===
Som nevnt tidligere finnes det ingen enkel og generell oppskrift på hvordan man kan produsere disse harde og sterke materialene. Ethvert materiale har spesifikke egenskaper, og det er ofte åpent for å anvende en ny teknikk som kun fungerer for et gitt materiale. Etter mye forskning, prøving og feiling, har man likevel kommet fram til noen fabrikasjonsmetoder som er mer generelle enn andre. Disse kan deles opp i følgende fire kategorier:
*'''Selvorganisering og "bottom up"'''
Denne metoden er nyttig i produksjonen av harde materialer, og drar nytte av visse elementers evne til å adsorbere og selvorganisere på en overflate.
*'''Elektroforetisk deposisjon'''
Denne metoden baserer seg på at ladde partikler selvorganiserer under påvirkning av et elektrisk felt. Ladde nanopartikler blandes i en suspensjon, og ved å sette på et eksternt elektrisk felt vil disse migrere til og feste seg på elektroden.
*'''Lag på lag metoden'''
Dette er en enkel metode for å produsere tynne filmer, gjerne med alternerende organisk-uorganisk fase. Et ladd substrat dyppes annenhver gang i motsatt ladde løsninger av polyelektrolytter.
*'''Templat inhibering'''

=== Anvendte teknikker ===
Noen av ovennevnte fabrikasjonsmetoder innebærer bruken av teknikker som krever en kort forklaring:

*'''Dip coating: Dypp-belegging'''
[[Bilde:Dip coating.gif|left|thumb|300px|De tre trinnene i dypp-beleggingsprosessen]]
Som det fremkommer av navnet beskriver dette en metode for å belegge noe med et tynt lag av noe annet. Vanligvis deles prosessen inn i fire deler: Først senkes gjenstanden som skal belegges ned i et beleggingsmateriale med konstant hastighet. Deretter lar man gjenstanden hvile i løsningen av beleggingsmateriale, slik at det skal få tid til å feste seg på overflaten. Etter en gitt tid trekkes gjenstanden opp igjen av løsningen, fortsatt med konstant hastighet for å unngå ujevnheter i filmen som blir lagt igjen på overflaten. Til slutt må filmen tørkes, slik at kun materialet som filmen skal bestå av er igjen på overflaten. Dette skjer oftest ved at løsning fordamper.
Det som i hovedsak bestemmer tykkelsen på filmen er hastigheten gjenstanden blir trukket opp igjen fra løsningen med. Jo høyere hastighet, jo tykkere film.

*'''Spin coating: Rotasjonsbelegging'''
Dette beskriver en annen teknikk for å belegge noe med en tynn film. Rotasjonsbelegging består i hovedsak av tre trinn: Påføring, rotasjon og tørking. Først dryppes eller sprayes beleggingsmaterialet, i flytende form, på sentrum av overflaten av gjenstanden som skal belegges. Belegget påføres i overflod i forhold til hva som blir igjen ved slutten av prosessen. Deretter settes gjenstanden inn i en maskin som kan rotere med høy hastighet. Når maskinen roterer vil belegget spres som følger av sentrifugalkraften, og til slutt renne over kanten av overflaten. Hastigheten bestemmer man selv, og avhenger av hvor tykk filmen skal være, og hva slags materiale den består av. Jo høyere vinkelhastighet, jo tynnere film. Vanligvis er løsningen volatil, og fordamper samtidig som gjenstanden roteres. Dette gjør at konsentrasjonen av løsningen også spiller inn på tykkelsen av filmen, der høy konsentrasjon gir en tykkere film enn lav konsentrasjon.
Andre faktorer som spiller inn på tykkelsen og egenskapene til filmen er: Akselerasjon til endelig rotasjonshastighet, rotasjonstid, viskositet til beleggingsvesken, fordampningshastighet, overflatespenning, temperatur, luftfuktighet osv.

*'''Sonication: Lydbehandling'''
Lydbehandling består i å tilføre energi til en prøve ved bruk av lydbølger, vanligvis ultralyd. Den høyfrekvente lyden blir generert elektronisk, og tilføres videre som mekanisk energi til prøven via en metallprobe som oscillerer med høy frekvens. Et såkalt ultralydbad kan også brukes. Når partiklene får høyere energi vil de bevege seg mer, og dette kan utnyttes på flere måter. Intermolekylære bånd kan brytes, noe som kan brukes til å løse opp og blande stoffer svært raskt. Energien tilført kan også utnyttes for å få en kjemisk reaksjon til å gå, til å fjerne oppløst gass fra en væske eller til å starte en krystalliseringsprosess. Innen biologi kan lydbehandling brukes til å ødelegge cellemembraner, for så å frigjøre det som befinner seg inne i cellen. Et mer populært bruksområde er rengjøring, fordi lydbehandling kan brukes til å løsne partikler fra en overflate. Denne typen rengjøring blir ofte brukt på briller og smykker.

=== Fremgangsmåte ===
Flere materialer har blitt prøvd ut for å lage lignende polymerfilmer, men her skal vi se på produksjonen av en film satt sammen av aluminiumsplater og kitosan. Kitosan er en biopolymer som produseres fra råstoffet kitin, som man i Norge hovedsakelig utvinner fra rekeskall.

Hovedidéen bak produksjonsprosessen er at man skal legge aluminiumsplater og kitosan lagvis oppå hverandre, inntil man oppnår en film med en tykkelse på mindre enn noen titalls mikrometer. Hvert lag må altså være svært tynt, og aluminiumsplatene må ikke ligge klumpet oppå hverandre.

På grunn av sin lave størrelse kan aluminiumsplatene ses på som kolloidale partikler, og har evnen til å adsorbere på overflaten mellom luft og vann. Det blir utnyttet her. For å lette adsorpsjonen blir først noe hydrofobe silankjeder (aminopropyltriethoxysilane, ATES) festet på den ene siden av aluminiumsplatene. En silankjede kan ses på som ekvivalent til et alkan, der karbonet er byttet ut med silisium. Festeprosessen blir gjort ved å tilsette plater i en løsning av ATES, løsningen lydbehandles så i fem minutter og blandes i 30 min ved 40graderC. Platene blir så vasket med etanol ved hjelp av sentrifugering. Silankjedene som festes på aluminiumsplatene har en aminogruppe på enden, som senere er ment å danne hydrogenbånd med oksygenet i kitosan.

For å danne en tett og homogen langmuirfilm av plater på vannoverflaten lages først en suspensjon av plater i etanol. Suspensjonen består av 1 vol% plater. Denne løsningen blir så dryppet på en vannoverflate, og videre behandlet i 15-30 min med lydbehandling. I løpet av lydbehandlingen dannes også elektriske dobbeltlag mellom de likt ladde aluminiumsplatene, og frastøtningskreftene mellom dem bidrar til bedre struktur i monolaget.

Monolaget blir så overført til en glassplate ved bruk av dypp-belegging og tørking ved 50graderC. Neste steg er å belegge dette igjen med et tynt lag av kitosan, noe som blir gjort ved rotasjonsbelegging. Beleggingsløsningen blir laget ved å la kitosan ligge i en 0,34 M løsning av eddiksyre i minst 24 timer. Eddiksyren er ment å protonere kitosan makromolekylene og amingruppene på enden av silankjedene, for å lette dannelsen av hydrogenbond mellom den organiske og uorganiske fasen. Rotasjon utføres i 40 sekunder med en hastighet på 2000 rpm, hvorpå kitosanlaget tørkes ved 50graderC. Tykkelsen av polymerlaget kan bestemmes ved å endre konsentrasjonen av kitosan i beleggingsløsningen.

Disse trinnene blir så gjentatt inntil ønsket tykkelse på filmen er oppnådd, noe som vanligvis tilsvarer mellom 8 og 10 lag av plater. Når filmen er ferdig fjernes den fra glassplaten med et barberblad.
 

==Andre prosjekter på området==
Ved University of California bruker man en annen innfallsvinkel og bruker kunnskapen om skjellenes holdbarhet til å lage sterkere metallegeringer. Man legger lagvis tynne plater av Titan og Aluminium oppå hverandre på samme måte som krittplatene i skjellet, adskilt av en myk Titan-legering, som tar rollen som det myke vevet rundt platene. Mange produsenter innen spesielt flybransjen ser på dette som en god erstatning for materialet som i dag brukes i flykroppen, siden det gir et mye sterkere materiale per vekt enn i dagens fly. Materialet i seg selv er sterkere enn murstein, og den største fordelen er at eventuelle sprekkdannelser sprer seg i materialet heller enn at materialet knekker på et bestemt sted. Disse egenskapene gjør at materialet også kunne brukes som lett pansring i militære sammenhenger.

==Applikasjoner==
* Biologiske eller syntetiske nacre-lignende materialer har evnen til å integrere seg i benstrukturer, og kan dermed brukes innen biomedisin, spesielt innen ortopedi og tannbehandling.
* Applikasjoner for lsterke polymerer; Mer bruk av polymerer som erstatning for korroderende metaller i bygninger, fly, biler, båter etc., forbruksvarer (strikken som aldri ryker)
* Applikasjoner for lettere og mer holdbare keramer;

 

==Relevans for nanoteknologer==
Dette eksempelet viser at det er viktig for nanoteknologer å la seg inspirere av naturens nanostrukturer, men samtidig også slippe seg løs og finne nye materialer og løsninger som er bedre egnet enn det naturen kan få til. Kanskje har også naturen enda mer å gå på evolusjonsmessig; det lønner seg å utforske forskjellige variasjoner av oppbygningen. Naturen har imidlertid også en fordel når det kommer til oppbygning av nanostrukturerte materialer; mens vi aktivt hele tiden må vurdere strukturer, tykkelse av lag, materialer, kostnad etc. for å få best mulig materiale (dvs med minst mulig feil og best mulig egenskaper), klarer organismer vha DNA og RNA å bygge mikro- og nanostrukturer med en utrolig nøyaktighet og nærmest uten feil. Eksemplet på dette er når ''Bonderer et al.'' ikke klarer å lage polymerfilmer med høy platekonsentrasjon med tilstrekkelig regelmessig struktur. 
Man kan også lære av tankegangen i dette forsøket; i stedet for å lage mer holdbare keramer, som er formålet med skjellenes oppbygning, bruker man det man har lært fra skjellene til å lage sterkere polymerer for andre formål.

 

== Kilder ==

[1] http://hal.archives-ouvertes.fr/docs/00/09/20/27/PDF/Bourrat-BioMin-2005.pdf 
[2] http://www.biophysik.uni-bremen.de/fritz/research.html 
http://nysgjerrigper.no/Artikler/2005/april/med-naturen-som-fasit 
http://arjournals.annualreviews.org/doi/full/10.1146/annurev.physchem.51.1.601?amp;searchHistoryKey=${searchHistoryKey}&cookieSet=1 
http://www.sciencemag.org/cgi/reprint/318/5847/80.pdf 
(Den spirituelle digresjonen):"http://www.althelse.com/steiner-&-krystaller/1228-abalone.html?showall=1" 
http://www.sciencemag.org/cgi/data/319/5866/1069/DC1/1 
Bioinspired Design and Assembly of Platelet Reinforced Polymer Films, Lorenz J. Bonderer, et al. Science 319, 1069 (2008); DOI: 10.1126/science.1148726
http://www.sciencemag.org/cgi/content/full/sci;319/5866/1053#ref4 
http://www.clean.cise.columbia.edu//process/spintheory.pdf 
http://en.wikipedia.org/wiki/Spin_coating 
http://en.wikipedia.org/wiki/Sonication 
http://en.wikipedia.org/wiki/Cell_disruption 
http://rsta.royalsocietypublishing.org/content/367/1893/1587.full 
http://www.nanowerk.com/spotlight/spotid=2131.php 
http://www.nytimes.com/2005/03/22/science/22abal.html

Bioinspirert design og sammensetting av plateforsterkede polymerfilmer

2009-03-23T11:04:34Z

Eirikgje: /* Andre prosjekter på området */

== Innledning ==
[[Bilde:fuflogfly.jpg|right|thumb|350px|NASA har utviklet et fly som kan endre form og lengde på vingene for minst mulig motstand og turbulens under flygingen, og som kan splitte opp vingespissene ved landing. Designet er inspirert av hvithodehavørnen, vist til vesntre.]]
Naturen har gjennom millioner av år med evolusjon utviklet sofistikerte og effektive materialer til forskjellige formål. Vi mennesker har kun eksistert en brøkdel av denne tidsperioden, og på tross av at vi er en av de dyktigste livsformene hva gjelder utvikling av forskjellige redskaper, har vi fortsatt mye å lære av andre organismer. I naturen finnes hundrevis av eksempler på fremgangsmåter, kamuflasje og smarte materialer, som vi bare såvidt har begynt å utforske. Noen eksempler er fly konstruert etter inspirasjon fra fuglers flyteknikk, svømmedrakter designet på samme måte som haihud, og en kamuflasjegel som reflekterer lyset fra omgivelsene, inspirert av blekksprutens evne til å skifte farge.

== Inspirasjon ==
Så og si alle biologiske komposittmaterialer har spesifikke strukturegenskaper på alle lengdeskalaer, fra molekylær, via nanoskopisk og mikroskopisk, til makroskopisk. Innen nanoteknologi er det spesielt interessant å utforske hvordan naturen har utviklet materialer på mikro- og nanoskala for å få dem best mulig egnet til deres bruk.

Mange organismer har bruk for harde og slitesterke materialer. For mennesker og andre dyr er det viktig å ha sterke tenner og skjelett, for mindre organismer er det viktig med harde skall for å beskytte de bløte delene. Et eksempel på dette er forskjellige skjell, som bygger skallet sitt ved hjelp av nanostrukturerte aragonitt(CaC03, kanskje bedre kjent som kritt)-plater omgitt av lag med elastiske biopolymerer som kitin, lustrin og andre proteiner. Denne oppbygningen av materialet gjør det 3000 ganger sterkere enn rent aragonitt, og det er denne enorme forskjellen som gjør at forskere i lang tid har prøvd å lære mer om oppbygningen. Håpet må være at vi innen en stadig minkende tidshorisont kan bruke denne kunnskapen til å masseprodusere sterkere og lettere stoffer enn tidligere.

== Utfordring ved bruk av nanobyggestener ==
Nanobyggestener er hver for seg tilnærmet ideelle materialer, med høy strekkstyrke og Young's modulus. Dessverre er det ikke slik at man kan hive sammen en haug av nanopartikler, og oppnå et materiale i bulk med egenskaper lik summen av partiklene det er satt sammen av. Det har vist seg at polymerer styrket med nanomaterialer har langt dårligere egenskaper enn de enkelte byggestenene hver for seg. Unntaket er hvis volumprosenten av det styrkende nanomaterialet er lav. Dette kan antakeligvis forklares ved viktigheten av struktur i komposittmaterialet. Hvis man bruker en høy volumprosent av nanopartikler er det vanskelig å kontrollere strukturen, spesielt fordi partiklene har en tendens til å aggregere og danne bulk materiale. Det er ønskelig at nanoelementene i komposittmaterialet rangerer seg på en ordnet måte, uten å klumpe seg sammen, da dette maksimerer kontaktflaten mellom nanopartikler og polymer.

En annen utfordring er selve produksjonen. Det er svært vanskelig å kontrollere oppførselen til et materiale på nanoskala. Det finnes muligheter for å plassere en og en partikkel f.eks med en AFM spiss, men hvis produksjon skal foregå på litt større skala må man ty til selvorganisering. For å oppnå ønsket resultat ved selvorganisering trengs inngående kunnskap om nanomaterialets fysiske og kjemiske egenskaper.

== Oppbygningen av skjellet ==
[[Bilde:nacreAFMPC.jpg|left|thumb|250px|Oppbygningen av Abalonskjellet, med polygonformede biokrystaller omggitt av proteiner. Bilde tatt med AFM og fasekontrast. [1]]]

''Haliotis Rufescens'' (Rød Abalon, Regnbuestein) er en av de sterkeste skjellene hva gjelder fysiske egenskaper. Innsiden har et regnbuefarget utseende, litt på samme måten som en CD, og denne likheten er det første indisiet på at vi har med en mikro- eller nanostruktur å gjøre. Allerede i 1955 kunne ''Grégoire et al.'' bevise at skjellene består av plater med organiske forbindelser, og ''Weiner'' kunne i 1986 fastslå at det dreide seg om plater på ca. ~5 µm i diameter, og med en tykkelse på 0.5µm, omgitt av et biopolymer. Ved å studere skjellet med AFM, SEM og TEM, har man med tiden kartlagt oppbygningen til materialet; skjellene består polygoniske biomineraler av aragonitt/kritt(CaCO3) separert av tynne (~45nm) lag med elastiske, organiske polymer-lignende proteiner, slik at strukturen på nano-skala ligner makroskopiske murvegger, med krystallene som "mursteiner" og proteinene som "sement". Det finnes to forskjellige strukturformer i skjellene; kolonne- og trappeform.
[[Bilde:nacreSEMcross.jpg|right|thumb|250px|Tversnitt av Abalonskjellet, tatt med SEM. [2]]]
Kolonneform betyr at sentrum av hver krystallplate ligger omtrent rett over sentrum av plata under. Når sentrum i hver plate ligger omtrent over skjøten mellom de underliggende platene, omtrent på samme måte som i murvegger, kalles dette trappeform. Det som fascinerer mest med denne oppbygningen er at hovedbestanddelen (95%) av materialet er kritt, et av naturens mest skjøre materialer (tenk tavlekritt, eggeskall etc). Oppbygningen i skjellene gjør at materialet tåler 3000 ganger så mye som aragonitt i vanlig bulk-form. Den samme strukturen finnes blant annet i ben hos alle større dyr, blant annet hos mennesket. Vår benbygning består på samme måte av plater med mineralet kalsium- hydroksyapatitt, omgitt av et mykere vev av kollagen. Den viktigste forskjellen mellom skjellene og vår benbygning er likevel at våre ben består av relativt sett mindre mineraler i forhold til det mykere biopolymeret (~95% for skjellene og ~45% i vår benbygning). Dette gjør at mens skjellene er hardere enn vår benbygning, tåler vi mer støt, strekk og bøying før materialet gir etter.

(En liten digresjon for de spirituelle (fra Alternativ Helse): "Abalon er god for kjærlighet, romantikk, god mat, og kreativitet (spesielt lyrikk og musikk) (...) Beskytter mot negative energier, spesielt sinne, depresjon, frykt, og tristhet. (...) fører til inspirasjon og kreativitet, spesielt innen skriving. Denne virkningen er sterkest til skapende skriving, som poesi og lyrikk, men er også fin innen forretning eller skoleskriving.")

== Dimensjoner og materialer ==
Biomimikk går ut på å imitere naturen nøyaktig for å bygge opp materialer med de egenskapene man finner i naturen. Bioinspirasjon derimot, handler om å hente inspirasjon fra naturens mange kilder, for så å utvikle videre et syntetisk materiale med helt spesifikke egenskaper, som kan overskride naturen på flere områder. Vi har mange flere materialer å velge mellom enn naturen, kan variere dimensjoner og strukturer på alle lengdeskalaer, og har dermed mange flere variable å utforske for å oppnå akkurat de egenskapene vi er ute etter. Dette er imidlertid lettere sagt en gjort, konstruksjonen av ben eller skjell lignende strukturer har vist seg å være ekstremt vanskelig, spesielt fordi det er meget utfordrene å finne generelle teknikker som fungerer for forskjellige materialer. Vi skal derfor her ta for oss en spesifikk type polymerfilm.

Før valg av materiale gjelder det å få oversikt over hvilke egenskaper den organiske og den uorganiske fasen bør ha, og hvor stor prosentandel man ideelt sett bør bruke av hver av dem.

Hvis man kjenner til styrken til de forskjellige materialene hver for seg samt volumprosenten av plater, kan man regne ut den totale styrken til hybridmaterialet ved følgende formel:
:<math>\sigma_c = \alpha V_p \sigma_p + (1-V_p)\sigma_m</math>
Der <math>\sigma_c</math> er maksimal strekkstyrke (tensile strength) til materialet, <math>V_p</math> er volumprosenten av plater, <math>\sigma_p</math> og <math>\sigma_m</math> er strekkstyrken til henholdsvis platene og polymermaterialet i matrisen rundt platene. <math>\alpha</math> er en funksjon av s, <math>\tau_y</math> og <math>\sigma_p</math>, der s er forholdet mellom lengde og tykkelse på platene (aspektrate) og <math>\tau_y</math> er flyt skjærstyrken (yield shear stength) til polymermatrisen.

[[Bilde:Brudd copy.jpg|left|thumb|250px|Den øverste figuren viser hvordan filmen vil knekke hvis <math>s>s_c</math>, mens den nederste figuren illustrerer hvordan materialet kan bli styrket hvis <math>s<s_c</math>, og platene er fleksible i polymermatrisen i stedet for å knekke tvert av ved en påført kraft.]]
Uttrykket for <math>\alpha</math> avhenger av s, aspektraten til platene. Hvis s er høyere enn en kritisk verdi <math>s_c</math>, vil hybridmaterialet knekke tvert av ved en viss påført kraft. I dette tilfellet uttrykkes <math>\alpha</math> på følgende måte:
:<math>\alpha = 1-\frac{\sigma_p}{2\tau_y s}</math>

Hvis s derimot er mindre enn den kritiske verdien <math>s_c</math>, vil platene være fleksible i polymermatrisen når en kraft påføres, og det skal mye mer til før materialet går helt i stykker. I dette tilfellet uttrykkes <math>\alpha</math> som følger:
:<math>\alpha = \frac{\tau_y s}{2\sigma_p}</math>

Den ønskelige situasjonen er sistnevnte, der <math>s<s_c</math>. For å oppnå maksimal styrke på alle måter bør s være nært oppunder <math>s_c</math>.

<math>s_c</math> er en funksjon av <math>\sigma_p</math> og <math>\tau_y</math>: <math>s_c = \frac{\sigma_p}{\tau_y}</math>

Naturen har begrenset med materialer å velge mellom. Nacre er for eksempel bygget opp av aragonittplater i et organisk materiale, og <math>s_c</math> befinner seg da et sted mellom 9 og 12,5, noe som er en relativt lav verdi. Aragonitt har en <math>\sigma_p</math> verdi på mellom 360 og 500 MPa, mens syntetiske uorganiske plater kan ha <math>\sigma_p</math> verdier mellom 2 og 5 GPa. Dette gir rom for å bruke plater med en merkbart høyere aspektrate, uten å overskride den kritiske verdien <math>s_c</math>.

Volumprosenten av uorganiske plater har mye å si for filmens egenskaper. For få plater gir et materiale som tåler mye deformering før det ødelegges, men som til gjengjeld er mykt og lite beskyttende. For mange plater gjør materialet hardt og stivt, men da blir det også skjørt og følsomt for sprekker. Hvis volumprosenten er altfor høy vil dessuten ikke platene organisere seg i en ordnet struktur som gir de egenskapene vi er ute etter. Her ønskes et materiale som både er hardt og fleksibelt.

[[Bilde:volumprosent.jpg|center|thumb|800px|Figur A, B og C inneholder henholdsvis 5, 11 og 60 vol% <math>Al_2O_3</math> plater. Man ser at ved 60 vol% blir strukturen uordnet og hullete, mens platene beholder sin struktur for vol% lavere enn 20. Lengdeskalaen på bildene er henholdsvis 10, 5 og 2µm.]]

[[Bilde:stress vs strain.jpg|right|thumb|300px|Denne figuren viser hvordan komposittmaterialet tåler mer og mer påført kraft før det deformeres ettersom volumprosenten av plater økes fra null og opp imot 20]]
Bonderer ''et al.'' (ref: bioinspired artikkelen) valgte å lage en forsterket polymerfilm med 15 vol% aluminiumoksidplater i en matrise av kitosan. Aluminiumsplatene har en estimert strekkstyrke <math>\sigma_p</math> på 2 GPa (der aragonitt til sammenligning har en strekkstyrke mellom 360 og 500 MPa), og kitosan har en flyt skjærstyrke på ca 40MPa. Dette gir en kritisk verdi <math>s_c</math> på omtrent 50, noe som er mye høyere enn hva man finner i skjellstrukturer i naturen (<math>9<s_c<12,5</math> for nacre). Man kan dermed øke aspektraten (s) og fortsatt beholde en fleksibel oppførsel ved påført kraft, noe som gjør at materialet tåler mer. I dette eksempelet valgte forskerne en aspektrate på 40, og plater med en tykkelse på ca 200nm. Tykkelsen er på samme nivå som platene funnet i nacre, men i og med at aspektraten er høyere kan platene være lengre, og dette øker effektiviteten av kraftskifting (load transfer) til de uorganiske platene. Volumprosenten ble satt til 15 på grunnlag av observasjonene vist i figur___, der man ser at volumprosenter over 20 gir materialet en hullete og dårlig struktur. I tillegg ble dette valget basert på observasjoner av hvor mye materialet deformeres som følger av påført kraft, som vist i figur__.

Podsiadlo og hans kolleger har prøvd seg med montmorillonitt (MTM) leirplater i en matrise av polyvinylalkohol (PVA). De har fokusert på kjemien i grensesnittet mellom platene og polymermatrisen for å maksimere kraftoverføring til den sterkere uorganiske fasen.

== Produksjon ==
=== Metoder ===
Som nevnt tidligere finnes det ingen enkel og generell oppskrift på hvordan man kan produsere disse harde og sterke materialene. Ethvert materiale har spesifikke egenskaper, og det er ofte åpent for å anvende en ny teknikk som kun fungerer for et gitt materiale. Etter mye forskning, prøving og feiling, har man likevel kommet fram til noen fabrikasjonsmetoder som er mer generelle enn andre. Disse kan deles opp i følgende fire kategorier:
*'''Selvorganisering og "bottom up"'''
Denne metoden er nyttig i produksjonen av harde materialer, og drar nytte av visse elementers evne til å adsorbere og selvorganisere på en overflate.
*'''Elektroforetisk deposisjon'''
Denne metoden baserer seg på at ladde partikler selvorganiserer under påvirkning av et elektrisk felt. Ladde nanopartikler blandes i en suspensjon, og ved å sette på et eksternt elektrisk felt vil disse migrere til og feste seg på elektroden.
*'''Lag på lag metoden'''
Dette er en enkel metode for å produsere tynne filmer, gjerne med alternerende organisk-uorganisk fase. Et ladd substrat dyppes annenhver gang i motsatt ladde løsninger av polyelektrolytter.
*'''Templat inhibering'''

=== Anvendte teknikker ===
Noen av ovennevnte fabrikasjonsmetoder innebærer bruken av teknikker som krever en kort forklaring:

*'''Dip coating: Dypp-belegging'''
[[Bilde:Dip coating.gif|left|thumb|300px|De tre trinnene i dypp-beleggingsprosessen]]
Som det fremkommer av navnet beskriver dette en metode for å belegge noe med et tynt lag av noe annet. Vanligvis deles prosessen inn i fire deler: Først senkes gjenstanden som skal belegges ned i et beleggingsmateriale med konstant hastighet. Deretter lar man gjenstanden hvile i løsningen av beleggingsmateriale, slik at det skal få tid til å feste seg på overflaten. Etter en gitt tid trekkes gjenstanden opp igjen av løsningen, fortsatt med konstant hastighet for å unngå ujevnheter i filmen som blir lagt igjen på overflaten. Til slutt må filmen tørkes, slik at kun materialet som filmen skal bestå av er igjen på overflaten. Dette skjer oftest ved at løsning fordamper.
Det som i hovedsak bestemmer tykkelsen på filmen er hastigheten gjenstanden blir trukket opp igjen fra løsningen med. Jo høyere hastighet, jo tykkere film.

*'''Spin coating: Rotasjonsbelegging'''
Dette beskriver en annen teknikk for å belegge noe med en tynn film. Rotasjonsbelegging består i hovedsak av tre trinn: Påføring, rotasjon og tørking. Først dryppes eller sprayes beleggingsmaterialet, i flytende form, på sentrum av overflaten av gjenstanden som skal belegges. Belegget påføres i overflod i forhold til hva som blir igjen ved slutten av prosessen. Deretter settes gjenstanden inn i en maskin som kan rotere med høy hastighet. Når maskinen roterer vil belegget spres som følger av sentrifugalkraften, og til slutt renne over kanten av overflaten. Hastigheten bestemmer man selv, og avhenger av hvor tykk filmen skal være, og hva slags materiale den består av. Jo høyere vinkelhastighet, jo tynnere film. Vanligvis er løsningen volatil, og fordamper samtidig som gjenstanden roteres. Dette gjør at konsentrasjonen av løsningen også spiller inn på tykkelsen av filmen, der høy konsentrasjon gir en tykkere film enn lav konsentrasjon.
Andre faktorer som spiller inn på tykkelsen og egenskapene til filmen er: Akselerasjon til endelig rotasjonshastighet, rotasjonstid, viskositet til beleggingsvesken, fordampningshastighet, overflatespenning, temperatur, luftfuktighet osv.

*'''Sonication: Lydbehandling'''
Lydbehandling består i å tilføre energi til en prøve ved bruk av lydbølger, vanligvis ultralyd. Den høyfrekvente lyden blir generert elektronisk, og tilføres videre som mekanisk energi til prøven via en metallprobe som oscillerer med høy frekvens. Et såkalt ultralydbad kan også brukes. Når partiklene får høyere energi vil de bevege seg mer, og dette kan utnyttes på flere måter. Intermolekylære bånd kan brytes, noe som kan brukes til å løse opp og blande stoffer svært raskt. Energien tilført kan også utnyttes for å få en kjemisk reaksjon til å gå, til å fjerne oppløst gass fra en væske eller til å starte en krystalliseringsprosess. Innen biologi kan lydbehandling brukes til å ødelegge cellemembraner, for så å frigjøre det som befinner seg inne i cellen. Et mer populært bruksområde er rengjøring, fordi lydbehandling kan brukes til å løsne partikler fra en overflate. Denne typen rengjøring blir ofte brukt på briller og smykker.

=== Fremgangsmåte ===
Flere materialer har blitt prøvd ut for å lage lignende polymerfilmer, men her skal vi se på produksjonen av en film satt sammen av aluminiumsplater og kitosan. Kitosan er en biopolymer som produseres fra råstoffet kitin, som man i Norge hovedsakelig utvinner fra rekeskall.

Hovedidéen bak produksjonsprosessen er at man skal legge aluminiumsplater og kitosan lagvis oppå hverandre, inntil man oppnår en film med en tykkelse på mindre enn noen titalls mikrometer. Hvert lag må altså være svært tynt, og aluminiumsplatene må ikke ligge klumpet oppå hverandre.

På grunn av sin lave størrelse kan aluminiumsplatene ses på som kolloidale partikler, og har evnen til å adsorbere på overflaten mellom luft og vann. Det blir utnyttet her. For å lette adsorpsjonen blir først noe hydrofobe silankjeder (aminopropyltriethoxysilane, ATES) festet på den ene siden av aluminiumsplatene. En silankjede kan ses på som ekvivalent til et alkan, der karbonet er byttet ut med silisium. Festeprosessen blir gjort ved å tilsette plater i en løsning av ATES, løsningen lydbehandles så i fem minutter og blandes i 30 min ved 40graderC. Platene blir så vasket med etanol ved hjelp av sentrifugering. Silankjedene som festes på aluminiumsplatene har en aminogruppe på enden, som senere er ment å danne hydrogenbånd med oksygenet i kitosan.

For å danne en tett og homogen langmuirfilm av plater på vannoverflaten lages først en suspensjon av plater i etanol. Suspensjonen består av 1 vol% plater. Denne løsningen blir så dryppet på en vannoverflate, og videre behandlet i 15-30 min med lydbehandling. I løpet av lydbehandlingen dannes også elektriske dobbeltlag mellom de likt ladde aluminiumsplatene, og frastøtningskreftene mellom dem bidrar til bedre struktur i monolaget.

Monolaget blir så overført til en glassplate ved bruk av dypp-belegging og tørking ved 50graderC. Neste steg er å belegge dette igjen med et tynt lag av kitosan, noe som blir gjort ved rotasjonsbelegging. Beleggingsløsningen blir laget ved å la kitosan ligge i en 0,34 M løsning av eddiksyre i minst 24 timer. Eddiksyren er ment å protonere kitosan makromolekylene og amingruppene på enden av silankjedene, for å lette dannelsen av hydrogenbond mellom den organiske og uorganiske fasen. Rotasjon utføres i 40 sekunder med en hastighet på 2000 rpm, hvorpå kitosanlaget tørkes ved 50graderC. Tykkelsen av polymerlaget kan bestemmes ved å endre konsentrasjonen av kitosan i beleggingsløsningen.

Disse trinnene blir så gjentatt inntil ønsket tykkelse på filmen er oppnådd, noe som vanligvis tilsvarer mellom 8 og 10 lag av plater. Når filmen er ferdig fjernes den fra glassplaten med et barberblad.
 

==Andre prosjekter på området==
Ved University of California bruker man en annen innfallsvinkel og bruker kunnskapen om skjellenes holdbarhet til å lage sterkere metallegeringer. Man legger lagvis tynne plater av Titan og Aluminium oppå hverandre på samme måte som krittplatene i skjellet, adskilt av en myk Titan-legering, som tar rollen som det myke vevet rundt platene. Mange produsenter innen spesielt flybransjen ser på dette som en god erstatning for materialet som i dag brukes i flykroppen, siden det gir et mye sterkere materiale per vekt enn i dagens fly. Materialet i seg selv er sterkere enn murstein, og den største fordelen er at eventuelle sprekkdannelser sprer seg i materialet heller enn at materialet knekker på et bestemt sted. Disse egenskapene gjør at materialet også kunne brukes som lett pansring i militære sammenhenger.

==Applikasjoner==
* Biologiske eller syntetiske nacre-lignende materialer har evnen til å integrere seg i benstrukturer, og kan dermed brukes innen biomedisin, spesielt innen ortopedi og tannbehandling.
* Applikasjoner for lsterke polymerer; Mer bruk av polymerer som erstatning for korroderende metaller i bygninger, fly, biler, båter etc., forbruksvarer (strikken som aldri ryker)
* Applikasjoner for lettere og mer holdbare keramer;

 

==Relevans for nanoteknologer==
Dette eksempelet viser at det er viktig for nanoteknologer å la seg inspirere av naturens nanostrukturer, men samtidig også slippe seg løs og finne nye materialer og løsninger som er bedre egnet enn det naturen kan få til. Kanskje har også naturen enda mer å gå på evolusjonsmessig; det lønner seg å utforske forskjellige variasjoner av oppbygningen. Naturen har imidlertid også en fordel når det kommer til oppbygning av nanostrukturerte materialer; mens vi aktivt hele tiden må vurdere strukturer, tykkelse av lag, materialer, kostnad etc. for å få best mulig materiale (dvs med minst mulig feil og best mulig egenskaper), klarer organismer vha DNA og RNA å bygge mikro- og nanostrukturer med en utrolig nøyaktighet og nærmest uten feil. Eksemplet på dette er når ''Bonderer et al.'' ikke klarer å lage polymerfilmer med høy platekonsentrasjon med tilstrekkelig regelmessig struktur. 
Man kan også lære av tankegangen i dette forsøket; i stedet for å lage mer holdbare keramer, som er formålet med skjellenes oppbygning, bruker man det man har lært fra skjellene til å lage sterkere polymerer for andre formål.

 

== Kilder ==

[1] http://hal.archives-ouvertes.fr/docs/00/09/20/27/PDF/Bourrat-BioMin-2005.pdf 
[2] http://www.biophysik.uni-bremen.de/fritz/research.html 
http://nysgjerrigper.no/Artikler/2005/april/med-naturen-som-fasit 
http://arjournals.annualreviews.org/doi/full/10.1146/annurev.physchem.51.1.601?amp;searchHistoryKey=${searchHistoryKey}&cookieSet=1 
http://www.sciencemag.org/cgi/reprint/318/5847/80.pdf 
(Den spirituelle digresjonen):"http://www.althelse.com/steiner-&-krystaller/1228-abalone.html?showall=1" 
http://www.sciencemag.org/cgi/data/319/5866/1069/DC1/1 
Bioinspired Design and Assembly of Platelet Reinforced Polymer Films, Lorenz J. Bonderer, et al. Science 319, 1069 (2008); DOI: 10.1126/science.1148726
http://www.sciencemag.org/cgi/content/full/sci;319/5866/1053#ref4 
http://www.clean.cise.columbia.edu//process/spintheory.pdf 
http://en.wikipedia.org/wiki/Spin_coating 
http://en.wikipedia.org/wiki/Sonication 
http://en.wikipedia.org/wiki/Cell_disruption 
http://rsta.royalsocietypublishing.org/content/367/1893/1587.full 
http://www.nanowerk.com/spotlight/spotid=2131.php

Bioinspirert design og sammensetting av plateforsterkede polymerfilmer

2009-03-23T10:52:27Z

Eirikgje: /* Fremgangsmåte */

== Innledning ==
[[Bilde:fuflogfly.jpg|right|thumb|350px|NASA har utviklet et fly som kan endre form og lengde på vingene for minst mulig motstand og turbulens under flygingen, og som kan splitte opp vingespissene ved landing. Designet er inspirert av hvithodehavørnen, vist til vesntre.]]
Naturen har gjennom millioner av år med evolusjon utviklet sofistikerte og effektive materialer til forskjellige formål. Vi mennesker har kun eksistert en brøkdel av denne tidsperioden, og på tross av at vi er en av de dyktigste livsformene hva gjelder utvikling av forskjellige redskaper, har vi fortsatt mye å lære av andre organismer. I naturen finnes hundrevis av eksempler på fremgangsmåter, kamuflasje og smarte materialer, som vi bare såvidt har begynt å utforske. Noen eksempler er fly konstruert etter inspirasjon fra fuglers flyteknikk, svømmedrakter designet på samme måte som haihud, og en kamuflasjegel som reflekterer lyset fra omgivelsene, inspirert av blekksprutens evne til å skifte farge.

== Inspirasjon ==
Så og si alle biologiske komposittmaterialer har spesifikke strukturegenskaper på alle lengdeskalaer, fra molekylær, via nanoskopisk og mikroskopisk, til makroskopisk. Innen nanoteknologi er det spesielt interessant å utforske hvordan naturen har utviklet materialer på mikro- og nanoskala for å få dem best mulig egnet til deres bruk.

Mange organismer har bruk for harde og slitesterke materialer. For mennesker og andre dyr er det viktig å ha sterke tenner og skjelett, for mindre organismer er det viktig med harde skall for å beskytte de bløte delene. Et eksempel på dette er forskjellige skjell, som bygger skallet sitt ved hjelp av nanostrukturerte aragonitt(CaC03, kanskje bedre kjent som kritt)-plater omgitt av lag med elastiske biopolymerer som kitin, lustrin og andre proteiner. Denne oppbygningen av materialet gjør det 3000 ganger sterkere enn rent aragonitt, og det er denne enorme forskjellen som gjør at forskere i lang tid har prøvd å lære mer om oppbygningen. Håpet må være at vi innen en stadig minkende tidshorisont kan bruke denne kunnskapen til å masseprodusere sterkere og lettere stoffer enn tidligere.

== Utfordring ved bruk av nanobyggestener ==
Nanobyggestener er hver for seg tilnærmet ideelle materialer, med høy strekkstyrke og Young's modulus. Dessverre er det ikke slik at man kan hive sammen en haug av nanopartikler, og oppnå et materiale i bulk med egenskaper lik summen av partiklene det er satt sammen av. Det har vist seg at polymerer styrket med nanomaterialer har langt dårligere egenskaper enn de enkelte byggestenene hver for seg. Unntaket er hvis volumprosenten av det styrkende nanomaterialet er lav. Dette kan antakeligvis forklares ved viktigheten av struktur i komposittmaterialet. Hvis man bruker en høy volumprosent av nanopartikler er det vanskelig å kontrollere strukturen, spesielt fordi partiklene har en tendens til å aggregere og danne bulk materiale. Det er ønskelig at nanoelementene i komposittmaterialet rangerer seg på en ordnet måte, uten å klumpe seg sammen, da dette maksimerer kontaktflaten mellom nanopartikler og polymer.

En annen utfordring er selve produksjonen. Det er svært vanskelig å kontrollere oppførselen til et materiale på nanoskala. Det finnes muligheter for å plassere en og en partikkel f.eks med en AFM spiss, men hvis produksjon skal foregå på litt større skala må man ty til selvorganisering. For å oppnå ønsket resultat ved selvorganisering trengs inngående kunnskap om nanomaterialets fysiske og kjemiske egenskaper.

== Oppbygningen av skjellet ==
[[Bilde:nacreAFMPC.jpg|left|thumb|250px|Oppbygningen av Abalonskjellet, med polygonformede biokrystaller omggitt av proteiner. Bilde tatt med AFM og fasekontrast. [1]]]

''Haliotis Rufescens'' (Rød Abalon, Regnbuestein) er en av de sterkeste skjellene hva gjelder fysiske egenskaper. Innsiden har et regnbuefarget utseende, litt på samme måten som en CD, og denne likheten er det første indisiet på at vi har med en mikro- eller nanostruktur å gjøre. Allerede i 1955 kunne ''Grégoire et al.'' bevise at skjellene består av plater med organiske forbindelser, og ''Weiner'' kunne i 1986 fastslå at det dreide seg om plater på ca. ~5 µm i diameter, og med en tykkelse på 0.5µm, omgitt av et biopolymer. Ved å studere skjellet med AFM, SEM og TEM, har man med tiden kartlagt oppbygningen til materialet; skjellene består polygoniske biomineraler av aragonitt/kritt(CaCO3) separert av tynne (~45nm) lag med elastiske, organiske polymer-lignende proteiner, slik at strukturen på nano-skala ligner makroskopiske murvegger, med krystallene som "mursteiner" og proteinene som "sement". Det finnes to forskjellige strukturformer i skjellene; kolonne- og trappeform.
[[Bilde:nacreSEMcross.jpg|right|thumb|250px|Tversnitt av Abalonskjellet, tatt med SEM. [2]]]
Kolonneform betyr at sentrum av hver krystallplate ligger omtrent rett over sentrum av plata under. Når sentrum i hver plate ligger omtrent over skjøten mellom de underliggende platene, omtrent på samme måte som i murvegger, kalles dette trappeform. Det som fascinerer mest med denne oppbygningen er at hovedbestanddelen (95%) av materialet er kritt, et av naturens mest skjøre materialer (tenk tavlekritt, eggeskall etc). Oppbygningen i skjellene gjør at materialet tåler 3000 ganger så mye som aragonitt i vanlig bulk-form. Den samme strukturen finnes blant annet i ben hos alle større dyr, blant annet hos mennesket. Vår benbygning består på samme måte av plater med mineralet kalsium- hydroksyapatitt, omgitt av et mykere vev av kollagen. Den viktigste forskjellen mellom skjellene og vår benbygning er likevel at våre ben består av relativt sett mindre mineraler i forhold til det mykere biopolymeret (~95% for skjellene og ~45% i vår benbygning). Dette gjør at mens skjellene er hardere enn vår benbygning, tåler vi mer støt, strekk og bøying før materialet gir etter.

(En liten digresjon for de spirituelle (fra Alternativ Helse): "Abalon er god for kjærlighet, romantikk, god mat, og kreativitet (spesielt lyrikk og musikk) (...) Beskytter mot negative energier, spesielt sinne, depresjon, frykt, og tristhet. (...) fører til inspirasjon og kreativitet, spesielt innen skriving. Denne virkningen er sterkest til skapende skriving, som poesi og lyrikk, men er også fin innen forretning eller skoleskriving.")

== Dimensjoner og materialer ==
Biomimikk går ut på å imitere naturen nøyaktig for å bygge opp materialer med de egenskapene man finner i naturen. Bioinspirasjon derimot, handler om å hente inspirasjon fra naturens mange kilder, for så å utvikle videre et syntetisk materiale med helt spesifikke egenskaper, som kan overskride naturen på flere områder. Vi har mange flere materialer å velge mellom enn naturen, kan variere dimensjoner og strukturer på alle lengdeskalaer, og har dermed mange flere variable å utforske for å oppnå akkurat de egenskapene vi er ute etter. Dette er imidlertid lettere sagt en gjort, konstruksjonen av ben eller skjell lignende strukturer har vist seg å være ekstremt vanskelig, spesielt fordi det er meget utfordrene å finne generelle teknikker som fungerer for forskjellige materialer. Vi skal derfor her ta for oss en spesifikk type polymerfilm.

Før valg av materiale gjelder det å få oversikt over hvilke egenskaper den organiske og den uorganiske fasen bør ha, og hvor stor prosentandel man ideelt sett bør bruke av hver av dem.

Hvis man kjenner til styrken til de forskjellige materialene hver for seg samt volumprosenten av plater, kan man regne ut den totale styrken til hybridmaterialet ved følgende formel:
:<math>\sigma_c = \alpha V_p \sigma_p + (1-V_p)\sigma_m</math>
Der <math>\sigma_c</math> er maksimal strekkstyrke (tensile strength) til materialet, <math>V_p</math> er volumprosenten av plater, <math>\sigma_p</math> og <math>\sigma_m</math> er strekkstyrken til henholdsvis platene og polymermaterialet i matrisen rundt platene. <math>\alpha</math> er en funksjon av s, <math>\tau_y</math> og <math>\sigma_p</math>, der s er forholdet mellom lengde og tykkelse på platene (aspektrate) og <math>\tau_y</math> er flyt skjærstyrken (yield shear stength) til polymermatrisen.

[[Bilde:Brudd copy.jpg|left|thumb|250px|Den øverste figuren viser hvordan filmen vil knekke hvis <math>s>s_c</math>, mens den nederste figuren illustrerer hvordan materialet kan bli styrket hvis <math>s<s_c</math>, og platene er fleksible i polymermatrisen i stedet for å knekke tvert av ved en påført kraft.]]
Uttrykket for <math>\alpha</math> avhenger av s, aspektraten til platene. Hvis s er høyere enn en kritisk verdi <math>s_c</math>, vil hybridmaterialet knekke tvert av ved en viss påført kraft. I dette tilfellet uttrykkes <math>\alpha</math> på følgende måte:
:<math>\alpha = 1-\frac{\sigma_p}{2\tau_y s}</math>

Hvis s derimot er mindre enn den kritiske verdien <math>s_c</math>, vil platene være fleksible i polymermatrisen når en kraft påføres, og det skal mye mer til før materialet går helt i stykker. I dette tilfellet uttrykkes <math>\alpha</math> som følger:
:<math>\alpha = \frac{\tau_y s}{2\sigma_p}</math>

Den ønskelige situasjonen er sistnevnte, der <math>s<s_c</math>. For å oppnå maksimal styrke på alle måter bør s være nært oppunder <math>s_c</math>.

<math>s_c</math> er en funksjon av <math>\sigma_p</math> og <math>\tau_y</math>: <math>s_c = \frac{\sigma_p}{\tau_y}</math>

Naturen har begrenset med materialer å velge mellom. Nacre er for eksempel bygget opp av aragonittplater i et organisk materiale, og <math>s_c</math> befinner seg da et sted mellom 9 og 12,5, noe som er en relativt lav verdi. Aragonitt har en <math>\sigma_p</math> verdi på mellom 360 og 500 MPa, mens syntetiske uorganiske plater kan ha <math>\sigma_p</math> verdier mellom 2 og 5 GPa. Dette gir rom for å bruke plater med en merkbart høyere aspektrate, uten å overskride den kritiske verdien <math>s_c</math>.

Volumprosenten av uorganiske plater har mye å si for filmens egenskaper. For få plater gir et materiale som tåler mye deformering før det ødelegges, men som til gjengjeld er mykt og lite beskyttende. For mange plater gjør materialet hardt og stivt, men da blir det også skjørt og følsomt for sprekker. Hvis volumprosenten er altfor høy vil dessuten ikke platene organisere seg i en ordnet struktur som gir de egenskapene vi er ute etter. Her ønskes et materiale som både er hardt og fleksibelt.

[[Bilde:volumprosent.jpg|center|thumb|800px|Figur A, B og C inneholder henholdsvis 5, 11 og 60 vol% <math>Al_2O_3</math> plater. Man ser at ved 60 vol% blir strukturen uordnet og hullete, mens platene beholder sin struktur for vol% lavere enn 20. Lengdeskalaen på bildene er henholdsvis 10, 5 og 2µm.]]

[[Bilde:stress vs strain.jpg|right|thumb|300px|Denne figuren viser hvordan komposittmaterialet tåler mer og mer påført kraft før det deformeres ettersom volumprosenten av plater økes fra null og opp imot 20]]
Bonderer ''et al.'' (ref: bioinspired artikkelen) valgte å lage en forsterket polymerfilm med 15 vol% aluminiumoksidplater i en matrise av kitosan. Aluminiumsplatene har en estimert strekkstyrke <math>\sigma_p</math> på 2 GPa (der aragonitt til sammenligning har en strekkstyrke mellom 360 og 500 MPa), og kitosan har en flyt skjærstyrke på ca 40MPa. Dette gir en kritisk verdi <math>s_c</math> på omtrent 50, noe som er mye høyere enn hva man finner i skjellstrukturer i naturen (<math>9<s_c<12,5</math> for nacre). Man kan dermed øke aspektraten (s) og fortsatt beholde en fleksibel oppførsel ved påført kraft, noe som gjør at materialet tåler mer. I dette eksempelet valgte forskerne en aspektrate på 40, og plater med en tykkelse på ca 200nm. Tykkelsen er på samme nivå som platene funnet i nacre, men i og med at aspektraten er høyere kan platene være lengre, og dette øker effektiviteten av kraftskifting (load transfer) til de uorganiske platene. Volumprosenten ble satt til 15 på grunnlag av observasjonene vist i figur___, der man ser at volumprosenter over 20 gir materialet en hullete og dårlig struktur. I tillegg ble dette valget basert på observasjoner av hvor mye materialet deformeres som følger av påført kraft, som vist i figur__.

Podsiadlo og hans kolleger har prøvd seg med montmorillonitt (MTM) leirplater i en matrise av polyvinylalkohol (PVA). De har fokusert på kjemien i grensesnittet mellom platene og polymermatrisen for å maksimere kraftoverføring til den sterkere uorganiske fasen.

== Produksjon ==
=== Metoder ===
Som nevnt tidligere finnes det ingen enkel og generell oppskrift på hvordan man kan produsere disse harde og sterke materialene. Ethvert materiale har spesifikke egenskaper, og det er ofte åpent for å anvende en ny teknikk som kun fungerer for et gitt materiale. Etter mye forskning, prøving og feiling, har man likevel kommet fram til noen fabrikasjonsmetoder som er mer generelle enn andre. Disse kan deles opp i følgende fire kategorier:
*'''Selvorganisering og "bottom up"'''
Denne metoden er nyttig i produksjonen av harde materialer, og drar nytte av visse elementers evne til å adsorbere og selvorganisere på en overflate.
*'''Elektroforetisk deposisjon'''
Denne metoden baserer seg på at ladde partikler selvorganiserer under påvirkning av et elektrisk felt. Ladde nanopartikler blandes i en suspensjon, og ved å sette på et eksternt elektrisk felt vil disse migrere til og feste seg på elektroden.
*'''Lag på lag metoden'''
Dette er en enkel metode for å produsere tynne filmer, gjerne med alternerende organisk-uorganisk fase. Et ladd substrat dyppes annenhver gang i motsatt ladde løsninger av polyelektrolytter.
*'''Templat inhibering'''

=== Anvendte teknikker ===
Noen av ovennevnte fabrikasjonsmetoder innebærer bruken av teknikker som krever en kort forklaring:

*'''Dip coating: Dypp-belegging'''
[[Bilde:Dip coating.gif|left|thumb|300px|De tre trinnene i dypp-beleggingsprosessen]]
Som det fremkommer av navnet beskriver dette en metode for å belegge noe med et tynt lag av noe annet. Vanligvis deles prosessen inn i fire deler: Først senkes gjenstanden som skal belegges ned i et beleggingsmateriale med konstant hastighet. Deretter lar man gjenstanden hvile i løsningen av beleggingsmateriale, slik at det skal få tid til å feste seg på overflaten. Etter en gitt tid trekkes gjenstanden opp igjen av løsningen, fortsatt med konstant hastighet for å unngå ujevnheter i filmen som blir lagt igjen på overflaten. Til slutt må filmen tørkes, slik at kun materialet som filmen skal bestå av er igjen på overflaten. Dette skjer oftest ved at løsning fordamper.
Det som i hovedsak bestemmer tykkelsen på filmen er hastigheten gjenstanden blir trukket opp igjen fra løsningen med. Jo høyere hastighet, jo tykkere film.

*'''Spin coating: Rotasjonsbelegging'''
Dette beskriver en annen teknikk for å belegge noe med en tynn film. Rotasjonsbelegging består i hovedsak av tre trinn: Påføring, rotasjon og tørking. Først dryppes eller sprayes beleggingsmaterialet, i flytende form, på sentrum av overflaten av gjenstanden som skal belegges. Belegget påføres i overflod i forhold til hva som blir igjen ved slutten av prosessen. Deretter settes gjenstanden inn i en maskin som kan rotere med høy hastighet. Når maskinen roterer vil belegget spres som følger av sentrifugalkraften, og til slutt renne over kanten av overflaten. Hastigheten bestemmer man selv, og avhenger av hvor tykk filmen skal være, og hva slags materiale den består av. Jo høyere vinkelhastighet, jo tynnere film. Vanligvis er løsningen volatil, og fordamper samtidig som gjenstanden roteres. Dette gjør at konsentrasjonen av løsningen også spiller inn på tykkelsen av filmen, der høy konsentrasjon gir en tykkere film enn lav konsentrasjon.
Andre faktorer som spiller inn på tykkelsen og egenskapene til filmen er: Akselerasjon til endelig rotasjonshastighet, rotasjonstid, viskositet til beleggingsvesken, fordampningshastighet, overflatespenning, temperatur, luftfuktighet osv.

*'''Sonication: Lydbehandling'''
Lydbehandling består i å tilføre energi til en prøve ved bruk av lydbølger, vanligvis ultralyd. Den høyfrekvente lyden blir generert elektronisk, og tilføres videre som mekanisk energi til prøven via en metallprobe som oscillerer med høy frekvens. Et såkalt ultralydbad kan også brukes. Når partiklene får høyere energi vil de bevege seg mer, og dette kan utnyttes på flere måter. Intermolekylære bånd kan brytes, noe som kan brukes til å løse opp og blande stoffer svært raskt. Energien tilført kan også utnyttes for å få en kjemisk reaksjon til å gå, til å fjerne oppløst gass fra en væske eller til å starte en krystalliseringsprosess. Innen biologi kan lydbehandling brukes til å ødelegge cellemembraner, for så å frigjøre det som befinner seg inne i cellen. Et mer populært bruksområde er rengjøring, fordi lydbehandling kan brukes til å løsne partikler fra en overflate. Denne typen rengjøring blir ofte brukt på briller og smykker.

=== Fremgangsmåte ===
Flere materialer har blitt prøvd ut for å lage lignende polymerfilmer, men her skal vi se på produksjonen av en film satt sammen av aluminiumsplater og kitosan. Kitosan er en biopolymer som produseres fra råstoffet kitin, som man i Norge hovedsakelig utvinner fra rekeskall.

Hovedidéen bak produksjonsprosessen er at man skal legge aluminiumsplater og kitosan lagvis oppå hverandre, inntil man oppnår en film med en tykkelse på mindre enn noen titalls mikrometer. Hvert lag må altså være svært tynt, og aluminiumsplatene må ikke ligge klumpet oppå hverandre.

På grunn av sin lave størrelse kan aluminiumsplatene ses på som kolloidale partikler, og har evnen til å adsorbere på overflaten mellom luft og vann. Det blir utnyttet her. For å lette adsorpsjonen blir først noe hydrofobe silankjeder (aminopropyltriethoxysilane, ATES) festet på den ene siden av aluminiumsplatene. En silankjede kan ses på som ekvivalent til et alkan, der karbonet er byttet ut med silisium. Festeprosessen blir gjort ved å tilsette plater i en løsning av ATES, løsningen lydbehandles så i fem minutter og blandes i 30 min ved 40graderC. Platene blir så vasket med etanol ved hjelp av sentrifugering. Silankjedene som festes på aluminiumsplatene har en aminogruppe på enden, som senere er ment å danne hydrogenbånd med oksygenet i kitosan.

For å danne en tett og homogen langmuirfilm av plater på vannoverflaten lages først en suspensjon av plater i etanol. Suspensjonen består av 1 vol% plater. Denne løsningen blir så dryppet på en vannoverflate, og videre behandlet i 15-30 min med lydbehandling. I løpet av lydbehandlingen dannes også elektriske dobbeltlag mellom de likt ladde aluminiumsplatene, og frastøtningskreftene mellom dem bidrar til bedre struktur i monolaget.

Monolaget blir så overført til en glassplate ved bruk av dypp-belegging og tørking ved 50graderC. Neste steg er å belegge dette igjen med et tynt lag av kitosan, noe som blir gjort ved rotasjonsbelegging. Beleggingsløsningen blir laget ved å la kitosan ligge i en 0,34 M løsning av eddiksyre i minst 24 timer. Eddiksyren er ment å protonere kitosan makromolekylene og amingruppene på enden av silankjedene, for å lette dannelsen av hydrogenbond mellom den organiske og uorganiske fasen. Rotasjon utføres i 40 sekunder med en hastighet på 2000 rpm, hvorpå kitosanlaget tørkes ved 50graderC. Tykkelsen av polymerlaget kan bestemmes ved å endre konsentrasjonen av kitosan i beleggingsløsningen.

Disse trinnene blir så gjentatt inntil ønsket tykkelse på filmen er oppnådd, noe som vanligvis tilsvarer mellom 8 og 10 lag av plater. Når filmen er ferdig fjernes den fra glassplaten med et barberblad.
 

==Andre prosjekter på området==

==Applikasjoner==
* Biologiske eller syntetiske nacre-lignende materialer har evnen til å integrere seg i benstrukturer, og kan dermed brukes innen biomedisin, spesielt innen ortopedi og tannbehandling.
* Applikasjoner for lsterke polymerer; Mer bruk av polymerer som erstatning for korroderende metaller i bygninger, fly, biler, båter etc., forbruksvarer (strikken som aldri ryker)
* Applikasjoner for lettere og mer holdbare keramer;

 

==Relevans for nanoteknologer==
Dette eksempelet viser at det er viktig for nanoteknologer å la seg inspirere av naturens nanostrukturer, men samtidig også slippe seg løs og finne nye materialer og løsninger som er bedre egnet enn det naturen kan få til. Kanskje har også naturen enda mer å gå på evolusjonsmessig; det lønner seg å utforske forskjellige variasjoner av oppbygningen. Naturen har imidlertid også en fordel når det kommer til oppbygning av nanostrukturerte materialer; mens vi aktivt hele tiden må vurdere strukturer, tykkelse av lag, materialer, kostnad etc. for å få best mulig materiale (dvs med minst mulig feil og best mulig egenskaper), klarer organismer vha DNA og RNA å bygge mikro- og nanostrukturer med en utrolig nøyaktighet og nærmest uten feil. Eksemplet på dette er når ''Bonderer et al.'' ikke klarer å lage polymerfilmer med høy platekonsentrasjon med tilstrekkelig regelmessig struktur. 
Man kan også lære av tankegangen i dette forsøket; i stedet for å lage mer holdbare keramer, som er formålet med skjellenes oppbygning, bruker man det man har lært fra skjellene til å lage sterkere polymerer for andre formål.

 

== Kilder ==

[1] http://hal.archives-ouvertes.fr/docs/00/09/20/27/PDF/Bourrat-BioMin-2005.pdf 
[2] http://www.biophysik.uni-bremen.de/fritz/research.html 
http://nysgjerrigper.no/Artikler/2005/april/med-naturen-som-fasit 
http://arjournals.annualreviews.org/doi/full/10.1146/annurev.physchem.51.1.601?amp;searchHistoryKey=${searchHistoryKey}&cookieSet=1 
http://www.sciencemag.org/cgi/reprint/318/5847/80.pdf 
(Den spirituelle digresjonen):"http://www.althelse.com/steiner-&-krystaller/1228-abalone.html?showall=1" 
http://www.sciencemag.org/cgi/data/319/5866/1069/DC1/1 
Bioinspired Design and Assembly of Platelet Reinforced Polymer Films, Lorenz J. Bonderer, et al. Science 319, 1069 (2008); DOI: 10.1126/science.1148726
http://www.sciencemag.org/cgi/content/full/sci;319/5866/1053#ref4 
http://www.clean.cise.columbia.edu//process/spintheory.pdf 
http://en.wikipedia.org/wiki/Spin_coating 
http://en.wikipedia.org/wiki/Sonication 
http://en.wikipedia.org/wiki/Cell_disruption 
http://rsta.royalsocietypublishing.org/content/367/1893/1587.full 
http://www.nanowerk.com/spotlight/spotid=2131.php

Bioinspirert design og sammensetting av plateforsterkede polymerfilmer

2009-03-23T10:50:48Z

Eirikgje: /* Applikasjoner */

== Innledning ==
[[Bilde:fuflogfly.jpg|right|thumb|350px|NASA har utviklet et fly som kan endre form og lengde på vingene for minst mulig motstand og turbulens under flygingen, og som kan splitte opp vingespissene ved landing. Designet er inspirert av hvithodehavørnen, vist til vesntre.]]
Naturen har gjennom millioner av år med evolusjon utviklet sofistikerte og effektive materialer til forskjellige formål. Vi mennesker har kun eksistert en brøkdel av denne tidsperioden, og på tross av at vi er en av de dyktigste livsformene hva gjelder utvikling av forskjellige redskaper, har vi fortsatt mye å lære av andre organismer. I naturen finnes hundrevis av eksempler på fremgangsmåter, kamuflasje og smarte materialer, som vi bare såvidt har begynt å utforske. Noen eksempler er fly konstruert etter inspirasjon fra fuglers flyteknikk, svømmedrakter designet på samme måte som haihud, og en kamuflasjegel som reflekterer lyset fra omgivelsene, inspirert av blekksprutens evne til å skifte farge.

== Inspirasjon ==
Så og si alle biologiske komposittmaterialer har spesifikke strukturegenskaper på alle lengdeskalaer, fra molekylær, via nanoskopisk og mikroskopisk, til makroskopisk. Innen nanoteknologi er det spesielt interessant å utforske hvordan naturen har utviklet materialer på mikro- og nanoskala for å få dem best mulig egnet til deres bruk.

Mange organismer har bruk for harde og slitesterke materialer. For mennesker og andre dyr er det viktig å ha sterke tenner og skjelett, for mindre organismer er det viktig med harde skall for å beskytte de bløte delene. Et eksempel på dette er forskjellige skjell, som bygger skallet sitt ved hjelp av nanostrukturerte aragonitt(CaC03, kanskje bedre kjent som kritt)-plater omgitt av lag med elastiske biopolymerer som kitin, lustrin og andre proteiner. Denne oppbygningen av materialet gjør det 3000 ganger sterkere enn rent aragonitt, og det er denne enorme forskjellen som gjør at forskere i lang tid har prøvd å lære mer om oppbygningen. Håpet må være at vi innen en stadig minkende tidshorisont kan bruke denne kunnskapen til å masseprodusere sterkere og lettere stoffer enn tidligere.

== Utfordring ved bruk av nanobyggestener ==
Nanobyggestener er hver for seg tilnærmet ideelle materialer, med høy strekkstyrke og Young's modulus. Dessverre er det ikke slik at man kan hive sammen en haug av nanopartikler, og oppnå et materiale i bulk med egenskaper lik summen av partiklene det er satt sammen av. Det har vist seg at polymerer styrket med nanomaterialer har langt dårligere egenskaper enn de enkelte byggestenene hver for seg. Unntaket er hvis volumprosenten av det styrkende nanomaterialet er lav. Dette kan antakeligvis forklares ved viktigheten av struktur i komposittmaterialet. Hvis man bruker en høy volumprosent av nanopartikler er det vanskelig å kontrollere strukturen, spesielt fordi partiklene har en tendens til å aggregere og danne bulk materiale. Det er ønskelig at nanoelementene i komposittmaterialet rangerer seg på en ordnet måte, uten å klumpe seg sammen, da dette maksimerer kontaktflaten mellom nanopartikler og polymer.

En annen utfordring er selve produksjonen. Det er svært vanskelig å kontrollere oppførselen til et materiale på nanoskala. Det finnes muligheter for å plassere en og en partikkel f.eks med en AFM spiss, men hvis produksjon skal foregå på litt større skala må man ty til selvorganisering. For å oppnå ønsket resultat ved selvorganisering trengs inngående kunnskap om nanomaterialets fysiske og kjemiske egenskaper.

== Oppbygningen av skjellet ==
[[Bilde:nacreAFMPC.jpg|left|thumb|250px|Oppbygningen av Abalonskjellet, med polygonformede biokrystaller omggitt av proteiner. Bilde tatt med AFM og fasekontrast. [1]]]

''Haliotis Rufescens'' (Rød Abalon, Regnbuestein) er en av de sterkeste skjellene hva gjelder fysiske egenskaper. Innsiden har et regnbuefarget utseende, litt på samme måten som en CD, og denne likheten er det første indisiet på at vi har med en mikro- eller nanostruktur å gjøre. Allerede i 1955 kunne ''Grégoire et al.'' bevise at skjellene består av plater med organiske forbindelser, og ''Weiner'' kunne i 1986 fastslå at det dreide seg om plater på ca. ~5 µm i diameter, og med en tykkelse på 0.5µm, omgitt av et biopolymer. Ved å studere skjellet med AFM, SEM og TEM, har man med tiden kartlagt oppbygningen til materialet; skjellene består polygoniske biomineraler av aragonitt/kritt(CaCO3) separert av tynne (~45nm) lag med elastiske, organiske polymer-lignende proteiner, slik at strukturen på nano-skala ligner makroskopiske murvegger, med krystallene som "mursteiner" og proteinene som "sement". Det finnes to forskjellige strukturformer i skjellene; kolonne- og trappeform.
[[Bilde:nacreSEMcross.jpg|right|thumb|250px|Tversnitt av Abalonskjellet, tatt med SEM. [2]]]
Kolonneform betyr at sentrum av hver krystallplate ligger omtrent rett over sentrum av plata under. Når sentrum i hver plate ligger omtrent over skjøten mellom de underliggende platene, omtrent på samme måte som i murvegger, kalles dette trappeform. Det som fascinerer mest med denne oppbygningen er at hovedbestanddelen (95%) av materialet er kritt, et av naturens mest skjøre materialer (tenk tavlekritt, eggeskall etc). Oppbygningen i skjellene gjør at materialet tåler 3000 ganger så mye som aragonitt i vanlig bulk-form. Den samme strukturen finnes blant annet i ben hos alle større dyr, blant annet hos mennesket. Vår benbygning består på samme måte av plater med mineralet kalsium- hydroksyapatitt, omgitt av et mykere vev av kollagen. Den viktigste forskjellen mellom skjellene og vår benbygning er likevel at våre ben består av relativt sett mindre mineraler i forhold til det mykere biopolymeret (~95% for skjellene og ~45% i vår benbygning). Dette gjør at mens skjellene er hardere enn vår benbygning, tåler vi mer støt, strekk og bøying før materialet gir etter.

(En liten digresjon for de spirituelle (fra Alternativ Helse): "Abalon er god for kjærlighet, romantikk, god mat, og kreativitet (spesielt lyrikk og musikk) (...) Beskytter mot negative energier, spesielt sinne, depresjon, frykt, og tristhet. (...) fører til inspirasjon og kreativitet, spesielt innen skriving. Denne virkningen er sterkest til skapende skriving, som poesi og lyrikk, men er også fin innen forretning eller skoleskriving.")

== Dimensjoner og materialer ==
Biomimikk går ut på å imitere naturen nøyaktig for å bygge opp materialer med de egenskapene man finner i naturen. Bioinspirasjon derimot, handler om å hente inspirasjon fra naturens mange kilder, for så å utvikle videre et syntetisk materiale med helt spesifikke egenskaper, som kan overskride naturen på flere områder. Vi har mange flere materialer å velge mellom enn naturen, kan variere dimensjoner og strukturer på alle lengdeskalaer, og har dermed mange flere variable å utforske for å oppnå akkurat de egenskapene vi er ute etter. Dette er imidlertid lettere sagt en gjort, konstruksjonen av ben eller skjell lignende strukturer har vist seg å være ekstremt vanskelig, spesielt fordi det er meget utfordrene å finne generelle teknikker som fungerer for forskjellige materialer. Vi skal derfor her ta for oss en spesifikk type polymerfilm.

Før valg av materiale gjelder det å få oversikt over hvilke egenskaper den organiske og den uorganiske fasen bør ha, og hvor stor prosentandel man ideelt sett bør bruke av hver av dem.

Hvis man kjenner til styrken til de forskjellige materialene hver for seg samt volumprosenten av plater, kan man regne ut den totale styrken til hybridmaterialet ved følgende formel:
:<math>\sigma_c = \alpha V_p \sigma_p + (1-V_p)\sigma_m</math>
Der <math>\sigma_c</math> er maksimal strekkstyrke (tensile strength) til materialet, <math>V_p</math> er volumprosenten av plater, <math>\sigma_p</math> og <math>\sigma_m</math> er strekkstyrken til henholdsvis platene og polymermaterialet i matrisen rundt platene. <math>\alpha</math> er en funksjon av s, <math>\tau_y</math> og <math>\sigma_p</math>, der s er forholdet mellom lengde og tykkelse på platene (aspektrate) og <math>\tau_y</math> er flyt skjærstyrken (yield shear stength) til polymermatrisen.

[[Bilde:Brudd copy.jpg|left|thumb|250px|Den øverste figuren viser hvordan filmen vil knekke hvis <math>s>s_c</math>, mens den nederste figuren illustrerer hvordan materialet kan bli styrket hvis <math>s<s_c</math>, og platene er fleksible i polymermatrisen i stedet for å knekke tvert av ved en påført kraft.]]
Uttrykket for <math>\alpha</math> avhenger av s, aspektraten til platene. Hvis s er høyere enn en kritisk verdi <math>s_c</math>, vil hybridmaterialet knekke tvert av ved en viss påført kraft. I dette tilfellet uttrykkes <math>\alpha</math> på følgende måte:
:<math>\alpha = 1-\frac{\sigma_p}{2\tau_y s}</math>

Hvis s derimot er mindre enn den kritiske verdien <math>s_c</math>, vil platene være fleksible i polymermatrisen når en kraft påføres, og det skal mye mer til før materialet går helt i stykker. I dette tilfellet uttrykkes <math>\alpha</math> som følger:
:<math>\alpha = \frac{\tau_y s}{2\sigma_p}</math>

Den ønskelige situasjonen er sistnevnte, der <math>s<s_c</math>. For å oppnå maksimal styrke på alle måter bør s være nært oppunder <math>s_c</math>.

<math>s_c</math> er en funksjon av <math>\sigma_p</math> og <math>\tau_y</math>: <math>s_c = \frac{\sigma_p}{\tau_y}</math>

Naturen har begrenset med materialer å velge mellom. Nacre er for eksempel bygget opp av aragonittplater i et organisk materiale, og <math>s_c</math> befinner seg da et sted mellom 9 og 12,5, noe som er en relativt lav verdi. Aragonitt har en <math>\sigma_p</math> verdi på mellom 360 og 500 MPa, mens syntetiske uorganiske plater kan ha <math>\sigma_p</math> verdier mellom 2 og 5 GPa. Dette gir rom for å bruke plater med en merkbart høyere aspektrate, uten å overskride den kritiske verdien <math>s_c</math>.

Volumprosenten av uorganiske plater har mye å si for filmens egenskaper. For få plater gir et materiale som tåler mye deformering før det ødelegges, men som til gjengjeld er mykt og lite beskyttende. For mange plater gjør materialet hardt og stivt, men da blir det også skjørt og følsomt for sprekker. Hvis volumprosenten er altfor høy vil dessuten ikke platene organisere seg i en ordnet struktur som gir de egenskapene vi er ute etter. Her ønskes et materiale som både er hardt og fleksibelt.

[[Bilde:volumprosent.jpg|center|thumb|800px|Figur A, B og C inneholder henholdsvis 5, 11 og 60 vol% <math>Al_2O_3</math> plater. Man ser at ved 60 vol% blir strukturen uordnet og hullete, mens platene beholder sin struktur for vol% lavere enn 20. Lengdeskalaen på bildene er henholdsvis 10, 5 og 2µm.]]

[[Bilde:stress vs strain.jpg|right|thumb|300px|Denne figuren viser hvordan komposittmaterialet tåler mer og mer påført kraft før det deformeres ettersom volumprosenten av plater økes fra null og opp imot 20]]
Bonderer ''et al.'' (ref: bioinspired artikkelen) valgte å lage en forsterket polymerfilm med 15 vol% aluminiumoksidplater i en matrise av kitosan. Aluminiumsplatene har en estimert strekkstyrke <math>\sigma_p</math> på 2 GPa (der aragonitt til sammenligning har en strekkstyrke mellom 360 og 500 MPa), og kitosan har en flyt skjærstyrke på ca 40MPa. Dette gir en kritisk verdi <math>s_c</math> på omtrent 50, noe som er mye høyere enn hva man finner i skjellstrukturer i naturen (<math>9<s_c<12,5</math> for nacre). Man kan dermed øke aspektraten (s) og fortsatt beholde en fleksibel oppførsel ved påført kraft, noe som gjør at materialet tåler mer. I dette eksempelet valgte forskerne en aspektrate på 40, og plater med en tykkelse på ca 200nm. Tykkelsen er på samme nivå som platene funnet i nacre, men i og med at aspektraten er høyere kan platene være lengre, og dette øker effektiviteten av kraftskifting (load transfer) til de uorganiske platene. Volumprosenten ble satt til 15 på grunnlag av observasjonene vist i figur___, der man ser at volumprosenter over 20 gir materialet en hullete og dårlig struktur. I tillegg ble dette valget basert på observasjoner av hvor mye materialet deformeres som følger av påført kraft, som vist i figur__.

Podsiadlo og hans kolleger har prøvd seg med montmorillonitt (MTM) leirplater i en matrise av polyvinylalkohol (PVA). De har fokusert på kjemien i grensesnittet mellom platene og polymermatrisen for å maksimere kraftoverføring til den sterkere uorganiske fasen.

== Produksjon ==
=== Metoder ===
Som nevnt tidligere finnes det ingen enkel og generell oppskrift på hvordan man kan produsere disse harde og sterke materialene. Ethvert materiale har spesifikke egenskaper, og det er ofte åpent for å anvende en ny teknikk som kun fungerer for et gitt materiale. Etter mye forskning, prøving og feiling, har man likevel kommet fram til noen fabrikasjonsmetoder som er mer generelle enn andre. Disse kan deles opp i følgende fire kategorier:
*'''Selvorganisering og "bottom up"'''
Denne metoden er nyttig i produksjonen av harde materialer, og drar nytte av visse elementers evne til å adsorbere og selvorganisere på en overflate.
*'''Elektroforetisk deposisjon'''
Denne metoden baserer seg på at ladde partikler selvorganiserer under påvirkning av et elektrisk felt. Ladde nanopartikler blandes i en suspensjon, og ved å sette på et eksternt elektrisk felt vil disse migrere til og feste seg på elektroden.
*'''Lag på lag metoden'''
Dette er en enkel metode for å produsere tynne filmer, gjerne med alternerende organisk-uorganisk fase. Et ladd substrat dyppes annenhver gang i motsatt ladde løsninger av polyelektrolytter.
*'''Templat inhibering'''

=== Anvendte teknikker ===
Noen av ovennevnte fabrikasjonsmetoder innebærer bruken av teknikker som krever en kort forklaring:

*'''Dip coating: Dypp-belegging'''
[[Bilde:Dip coating.gif|left|thumb|300px|De tre trinnene i dypp-beleggingsprosessen]]
Som det fremkommer av navnet beskriver dette en metode for å belegge noe med et tynt lag av noe annet. Vanligvis deles prosessen inn i fire deler: Først senkes gjenstanden som skal belegges ned i et beleggingsmateriale med konstant hastighet. Deretter lar man gjenstanden hvile i løsningen av beleggingsmateriale, slik at det skal få tid til å feste seg på overflaten. Etter en gitt tid trekkes gjenstanden opp igjen av løsningen, fortsatt med konstant hastighet for å unngå ujevnheter i filmen som blir lagt igjen på overflaten. Til slutt må filmen tørkes, slik at kun materialet som filmen skal bestå av er igjen på overflaten. Dette skjer oftest ved at løsning fordamper.
Det som i hovedsak bestemmer tykkelsen på filmen er hastigheten gjenstanden blir trukket opp igjen fra løsningen med. Jo høyere hastighet, jo tykkere film.

*'''Spin coating: Rotasjonsbelegging'''
Dette beskriver en annen teknikk for å belegge noe med en tynn film. Rotasjonsbelegging består i hovedsak av tre trinn: Påføring, rotasjon og tørking. Først dryppes eller sprayes beleggingsmaterialet, i flytende form, på sentrum av overflaten av gjenstanden som skal belegges. Belegget påføres i overflod i forhold til hva som blir igjen ved slutten av prosessen. Deretter settes gjenstanden inn i en maskin som kan rotere med høy hastighet. Når maskinen roterer vil belegget spres som følger av sentrifugalkraften, og til slutt renne over kanten av overflaten. Hastigheten bestemmer man selv, og avhenger av hvor tykk filmen skal være, og hva slags materiale den består av. Jo høyere vinkelhastighet, jo tynnere film. Vanligvis er løsningen volatil, og fordamper samtidig som gjenstanden roteres. Dette gjør at konsentrasjonen av løsningen også spiller inn på tykkelsen av filmen, der høy konsentrasjon gir en tykkere film enn lav konsentrasjon.
Andre faktorer som spiller inn på tykkelsen og egenskapene til filmen er: Akselerasjon til endelig rotasjonshastighet, rotasjonstid, viskositet til beleggingsvesken, fordampningshastighet, overflatespenning, temperatur, luftfuktighet osv.

*'''Sonication: Lydbehandling'''
Lydbehandling består i å tilføre energi til en prøve ved bruk av lydbølger, vanligvis ultralyd. Den høyfrekvente lyden blir generert elektronisk, og tilføres videre som mekanisk energi til prøven via en metallprobe som oscillerer med høy frekvens. Et såkalt ultralydbad kan også brukes. Når partiklene får høyere energi vil de bevege seg mer, og dette kan utnyttes på flere måter. Intermolekylære bånd kan brytes, noe som kan brukes til å løse opp og blande stoffer svært raskt. Energien tilført kan også utnyttes for å få en kjemisk reaksjon til å gå, til å fjerne oppløst gass fra en væske eller til å starte en krystalliseringsprosess. Innen biologi kan lydbehandling brukes til å ødelegge cellemembraner, for så å frigjøre det som befinner seg inne i cellen. Et mer populært bruksområde er rengjøring, fordi lydbehandling kan brukes til å løsne partikler fra en overflate. Denne typen rengjøring blir ofte brukt på briller og smykker.

=== Fremgangsmåte ===
Flere materialer har blitt prøvd ut for å lage lignende polymerfilmer, men her skal vi se på produksjonen av en film satt sammen av aluminiumsplater og kitosan. Kitosan er en biopolymer som produseres fra råstoffet kitin, som man i Norge hovedsakelig utvinner fra rekeskall.

Hovedidéen bak produksjonsprosessen er at man skal legge aluminiumsplater og kitosan lagvis oppå hverandre, inntil man oppnår en film med en tykkelse på mindre enn noen titalls mikrometer. Hvert lag må altså være svært tynt, og aluminiumsplatene må ikke ligge klumpet oppå hverandre.

På grunn av sin lave størrelse kan aluminiumsplatene ses på som kolloidale partikler, og har evnen til å adsorbere på overflaten mellom luft og vann. Det blir utnyttet her. For å lette adsorpsjonen blir først noe hydrofobe silankjeder (aminopropyltriethoxysilane, ATES) festet på den ene siden av aluminiumsplatene. En silankjede kan ses på som ekvivalent til et alkan, der karbonet er byttet ut med silisium. Festeprosessen blir gjort ved å tilsette plater i en løsning av ATES, løsningen lydbehandles så i fem minutter og blandes i 30 min ved 40graderC. Platene blir så vasket med etanol ved hjelp av sentrifugering. Silankjedene som festes på aluminiumsplatene har en aminogruppe på enden, som senere er ment å danne hydrogenbånd med oksygenet i kitosan.

For å danne en tett og homogen langmuirfilm av plater på vannoverflaten lages først en suspensjon av plater i etanol. Suspensjonen består av 1 vol% plater. Denne løsningen blir så dryppet på en vannoverflate, og videre behandlet i 15-30 min med lydbehandling. I løpet av lydbehandlingen dannes også elektriske dobbeltlag mellom de likt ladde aluminiumsplatene, og frastøtningskreftene mellom dem bidrar til bedre struktur i monolaget.

Monolaget blir så overført til en glassplate ved bruk av dypp-belegging og tørking ved 50graderC. Neste steg er å belegge dette igjen med et tynt lag av kitosan, noe som blir gjort ved rotasjonsbelegging. Beleggingsløsningen blir laget ved å la kitosan ligge i en 0,34 M løsning av eddiksyre i minst 24 timer. Eddiksyren er ment å protonere kitosan makromolekylene og amingruppene på enden av silankjedene, for å lette dannelsen av hydrogenbond mellom den organiske og uorganiske fasen. Rotasjon utføres i 40 sekunder med en hastighet på 2000 rpm, hvorpå kitosanlaget tørkes ved 50graderC. Tykkelsen av polymerlaget kan bestemmes ved å endre konsentrasjonen av kitosan i beleggingsløsningen.

Disse trinnene blir så gjentatt inntil ønsket tykkelse på filmen er oppnådd, noe som vanligvis tilsvarer mellom 8 og 10 lag av plater. Når filmen er ferdig fjernes den fra glassplaten med et barberblad.
 

==Applikasjoner==
* Biologiske eller syntetiske nacre-lignende materialer har evnen til å integrere seg i benstrukturer, og kan dermed brukes innen biomedisin, spesielt innen ortopedi og tannbehandling.
* Applikasjoner for lsterke polymerer; Mer bruk av polymerer som erstatning for korroderende metaller i bygninger, fly, biler, båter etc., forbruksvarer (strikken som aldri ryker)
* Applikasjoner for lettere og mer holdbare keramer;

 

==Relevans for nanoteknologer==
Dette eksempelet viser at det er viktig for nanoteknologer å la seg inspirere av naturens nanostrukturer, men samtidig også slippe seg løs og finne nye materialer og løsninger som er bedre egnet enn det naturen kan få til. Kanskje har også naturen enda mer å gå på evolusjonsmessig; det lønner seg å utforske forskjellige variasjoner av oppbygningen. Naturen har imidlertid også en fordel når det kommer til oppbygning av nanostrukturerte materialer; mens vi aktivt hele tiden må vurdere strukturer, tykkelse av lag, materialer, kostnad etc. for å få best mulig materiale (dvs med minst mulig feil og best mulig egenskaper), klarer organismer vha DNA og RNA å bygge mikro- og nanostrukturer med en utrolig nøyaktighet og nærmest uten feil. Eksemplet på dette er når ''Bonderer et al.'' ikke klarer å lage polymerfilmer med høy platekonsentrasjon med tilstrekkelig regelmessig struktur. 
Man kan også lære av tankegangen i dette forsøket; i stedet for å lage mer holdbare keramer, som er formålet med skjellenes oppbygning, bruker man det man har lært fra skjellene til å lage sterkere polymerer for andre formål.

 

== Kilder ==

[1] http://hal.archives-ouvertes.fr/docs/00/09/20/27/PDF/Bourrat-BioMin-2005.pdf 
[2] http://www.biophysik.uni-bremen.de/fritz/research.html 
http://nysgjerrigper.no/Artikler/2005/april/med-naturen-som-fasit 
http://arjournals.annualreviews.org/doi/full/10.1146/annurev.physchem.51.1.601?amp;searchHistoryKey=${searchHistoryKey}&cookieSet=1 
http://www.sciencemag.org/cgi/reprint/318/5847/80.pdf 
(Den spirituelle digresjonen):"http://www.althelse.com/steiner-&-krystaller/1228-abalone.html?showall=1" 
http://www.sciencemag.org/cgi/data/319/5866/1069/DC1/1 
Bioinspired Design and Assembly of Platelet Reinforced Polymer Films, Lorenz J. Bonderer, et al. Science 319, 1069 (2008); DOI: 10.1126/science.1148726
http://www.sciencemag.org/cgi/content/full/sci;319/5866/1053#ref4 
http://www.clean.cise.columbia.edu//process/spintheory.pdf 
http://en.wikipedia.org/wiki/Spin_coating 
http://en.wikipedia.org/wiki/Sonication 
http://en.wikipedia.org/wiki/Cell_disruption 
http://rsta.royalsocietypublishing.org/content/367/1893/1587.full 
http://www.nanowerk.com/spotlight/spotid=2131.php

Bioinspirert design og sammensetting av plateforsterkede polymerfilmer

2009-03-23T10:41:54Z

Eirikgje: /* Applikasjoner */

== Innledning ==
[[Bilde:fuflogfly.jpg|right|thumb|350px|NASA har utviklet et fly som kan endre form og lengde på vingene for minst mulig motstand og turbulens under flygingen, og som kan splitte opp vingespissene ved landing. Designet er inspirert av hvithodehavørnen, vist til vesntre.]]
Naturen har gjennom millioner av år med evolusjon utviklet sofistikerte og effektive materialer til forskjellige formål. Vi mennesker har kun eksistert en brøkdel av denne tidsperioden, og på tross av at vi er en av de dyktigste livsformene hva gjelder utvikling av forskjellige redskaper, har vi fortsatt mye å lære av andre organismer. I naturen finnes hundrevis av eksempler på fremgangsmåter, kamuflasje og smarte materialer, som vi bare såvidt har begynt å utforske. Noen eksempler er fly konstruert etter inspirasjon fra fuglers flyteknikk, svømmedrakter designet på samme måte som haihud, og en kamuflasjegel som reflekterer lyset fra omgivelsene, inspirert av blekksprutens evne til å skifte farge.

== Inspirasjon ==
Så og si alle biologiske komposittmaterialer har spesifikke strukturegenskaper på alle lengdeskalaer, fra molekylær, via nanoskopisk og mikroskopisk, til makroskopisk. Innen nanoteknologi er det spesielt interessant å utforske hvordan naturen har utviklet materialer på mikro- og nanoskala for å få dem best mulig egnet til deres bruk.

Mange organismer har bruk for harde og slitesterke materialer. For mennesker og andre dyr er det viktig å ha sterke tenner og skjelett, for mindre organismer er det viktig med harde skall for å beskytte de bløte delene. Et eksempel på dette er forskjellige skjell, som bygger skallet sitt ved hjelp av nanostrukturerte aragonitt(CaC03, kanskje bedre kjent som kritt)-plater omgitt av lag med elastiske biopolymerer som kitin, lustrin og andre proteiner. Denne oppbygningen av materialet gjør det 3000 ganger sterkere enn rent aragonitt, og det er denne enorme forskjellen som gjør at forskere i lang tid har prøvd å lære mer om oppbygningen. Håpet må være at vi innen en stadig minkende tidshorisont kan bruke denne kunnskapen til å masseprodusere sterkere og lettere stoffer enn tidligere.

== Utfordring ved bruk av nanobyggestener ==
Nanobyggestener er hver for seg tilnærmet ideelle materialer, med høy strekkstyrke og Young's modulus. Dessverre er det ikke slik at man kan hive sammen en haug av nanopartikler, og oppnå et materiale i bulk med egenskaper lik summen av partiklene det er satt sammen av. Det har vist seg at polymerer styrket med nanomaterialer har langt dårligere egenskaper enn de enkelte byggestenene hver for seg. Unntaket er hvis volumprosenten av det styrkende nanomaterialet er lav. Dette kan antakeligvis forklares ved viktigheten av struktur i komposittmaterialet. Hvis man bruker en høy volumprosent av nanopartikler er det vanskelig å kontrollere strukturen, spesielt fordi partiklene har en tendens til å aggregere og danne bulk materiale. Det er ønskelig at nanoelementene i komposittmaterialet rangerer seg på en ordnet måte, uten å klumpe seg sammen, da dette maksimerer kontaktflaten mellom nanopartikler og polymer.

En annen utfordring er selve produksjonen. Det er svært vanskelig å kontrollere oppførselen til et materiale på nanoskala. Det finnes muligheter for å plassere en og en partikkel f.eks med en AFM spiss, men hvis produksjon skal foregå på litt større skala må man ty til selvorganisering. For å oppnå ønsket resultat ved selvorganisering trengs inngående kunnskap om nanomaterialets fysiske og kjemiske egenskaper.

== Oppbygningen av skjellet ==
[[Bilde:nacreAFMPC.jpg|left|thumb|250px|Oppbygningen av Abalonskjellet, med polygonformede biokrystaller omggitt av proteiner. Bilde tatt med AFM og fasekontrast. [1]]]

''Haliotis Rufescens'' (Rød Abalon, Regnbuestein) er en av de sterkeste skjellene hva gjelder fysiske egenskaper. Innsiden har et regnbuefarget utseende, litt på samme måten som en CD, og denne likheten er det første indisiet på at vi har med en mikro- eller nanostruktur å gjøre. Allerede i 1955 kunne ''Grégoire et al.'' bevise at skjellene består av plater med organiske forbindelser, og ''Weiner'' kunne i 1986 fastslå at det dreide seg om plater på ca. ~5 µm i diameter, og med en tykkelse på 0.5µm, omgitt av et biopolymer. Ved å studere skjellet med AFM, SEM og TEM, har man med tiden kartlagt oppbygningen til materialet; skjellene består polygoniske biomineraler av aragonitt/kritt(CaCO3) separert av tynne (~45nm) lag med elastiske, organiske polymer-lignende proteiner, slik at strukturen på nano-skala ligner makroskopiske murvegger, med krystallene som "mursteiner" og proteinene som "sement". Det finnes to forskjellige strukturformer i skjellene; kolonne- og trappeform.
[[Bilde:nacreSEMcross.jpg|right|thumb|250px|Tversnitt av Abalonskjellet, tatt med SEM. [2]]]
Kolonneform betyr at sentrum av hver krystallplate ligger omtrent rett over sentrum av plata under. Når sentrum i hver plate ligger omtrent over skjøten mellom de underliggende platene, omtrent på samme måte som i murvegger, kalles dette trappeform. Det som fascinerer mest med denne oppbygningen er at hovedbestanddelen (95%) av materialet er kritt, et av naturens mest skjøre materialer (tenk tavlekritt, eggeskall etc). Oppbygningen i skjellene gjør at materialet tåler 3000 ganger så mye som aragonitt i vanlig bulk-form. Den samme strukturen finnes blant annet i ben hos alle større dyr, blant annet hos mennesket. Vår benbygning består på samme måte av plater med mineralet kalsium- hydroksyapatitt, omgitt av et mykere vev av kollagen. Den viktigste forskjellen mellom skjellene og vår benbygning er likevel at våre ben består av relativt sett mindre mineraler i forhold til det mykere biopolymeret (~95% for skjellene og ~45% i vår benbygning). Dette gjør at mens skjellene er hardere enn vår benbygning, tåler vi mer støt, strekk og bøying før materialet gir etter.

(En liten digresjon for de spirituelle (fra Alternativ Helse): "Abalon er god for kjærlighet, romantikk, god mat, og kreativitet (spesielt lyrikk og musikk) (...) Beskytter mot negative energier, spesielt sinne, depresjon, frykt, og tristhet. (...) fører til inspirasjon og kreativitet, spesielt innen skriving. Denne virkningen er sterkest til skapende skriving, som poesi og lyrikk, men er også fin innen forretning eller skoleskriving.")

== Dimensjoner og materialer ==
Biomimikk går ut på å imitere naturen nøyaktig for å bygge opp materialer med de egenskapene man finner i naturen. Bioinspirasjon derimot, handler om å hente inspirasjon fra naturens mange kilder, for så å utvikle videre et syntetisk materiale med helt spesifikke egenskaper, som kan overskride naturen på flere områder. Vi har mange flere materialer å velge mellom enn naturen, kan variere dimensjoner og strukturer på alle lengdeskalaer, og har dermed mange flere variable å utforske for å oppnå akkurat de egenskapene vi er ute etter. Dette er imidlertid lettere sagt en gjort, konstruksjonen av ben eller skjell lignende strukturer har vist seg å være ekstremt vanskelig, spesielt fordi det er meget utfordrene å finne generelle teknikker som fungerer for forskjellige materialer. Vi skal derfor her ta for oss en spesifikk type polymerfilm.

Før valg av materiale gjelder det å få oversikt over hvilke egenskaper den organiske og den uorganiske fasen bør ha, og hvor stor prosentandel man ideelt sett bør bruke av hver av dem.

Hvis man kjenner til styrken til de forskjellige materialene hver for seg samt volumprosenten av plater, kan man regne ut den totale styrken til hybridmaterialet ved følgende formel:
:<math>\sigma_c = \alpha V_p \sigma_p + (1-V_p)\sigma_m</math>
Der <math>\sigma_c</math> er maksimal strekkstyrke (tensile strength) til materialet, <math>V_p</math> er volumprosenten av plater, <math>\sigma_p</math> og <math>\sigma_m</math> er strekkstyrken til henholdsvis platene og polymermaterialet i matrisen rundt platene. <math>\alpha</math> er en funksjon av s, <math>\tau_y</math> og <math>\sigma_p</math>, der s er forholdet mellom lengde og tykkelse på platene (aspektrate) og <math>\tau_y</math> er flyt skjærstyrken (yield shear stength) til polymermatrisen.

[[Bilde:Brudd copy.jpg|left|thumb|250px|Den øverste figuren viser hvordan filmen vil knekke hvis <math>s>s_c</math>, mens den nederste figuren illustrerer hvordan materialet kan bli styrket hvis <math>s<s_c</math>, og platene er fleksible i polymermatrisen i stedet for å knekke tvert av ved en påført kraft.]]
Uttrykket for <math>\alpha</math> avhenger av s, aspektraten til platene. Hvis s er høyere enn en kritisk verdi <math>s_c</math>, vil hybridmaterialet knekke tvert av ved en viss påført kraft. I dette tilfellet uttrykkes <math>\alpha</math> på følgende måte:
:<math>\alpha = 1-\frac{\sigma_p}{2\tau_y s}</math>

Hvis s derimot er mindre enn den kritiske verdien <math>s_c</math>, vil platene være fleksible i polymermatrisen når en kraft påføres, og det skal mye mer til før materialet går helt i stykker. I dette tilfellet uttrykkes <math>\alpha</math> som følger:
:<math>\alpha = \frac{\tau_y s}{2\sigma_p}</math>

Den ønskelige situasjonen er sistnevnte, der <math>s<s_c</math>. For å oppnå maksimal styrke på alle måter bør s være nært oppunder <math>s_c</math>.

<math>s_c</math> er en funksjon av <math>\sigma_p</math> og <math>\tau_y</math>: <math>s_c = \frac{\sigma_p}{\tau_y}</math>

Naturen har begrenset med materialer å velge mellom. Nacre er for eksempel bygget opp av aragonittplater i et organisk materiale, og <math>s_c</math> befinner seg da et sted mellom 9 og 12,5, noe som er en relativt lav verdi. Aragonitt har en <math>\sigma_p</math> verdi på mellom 360 og 500 MPa, mens syntetiske uorganiske plater kan ha <math>\sigma_p</math> verdier mellom 2 og 5 GPa. Dette gir rom for å bruke plater med en merkbart høyere aspektrate, uten å overskride den kritiske verdien <math>s_c</math>.

Volumprosenten av uorganiske plater har mye å si for filmens egenskaper. For få plater gir et materiale som tåler mye deformering før det ødelegges, men som til gjengjeld er mykt og lite beskyttende. For mange plater gjør materialet hardt og stivt, men da blir det også skjørt og følsomt for sprekker. Hvis volumprosenten er altfor høy vil dessuten ikke platene organisere seg i en ordnet struktur som gir de egenskapene vi er ute etter. Her ønskes et materiale som både er hardt og fleksibelt.

[[Bilde:volumprosent.jpg|center|thumb|800px|Figur A, B og C inneholder henholdsvis 5, 11 og 60 vol% <math>Al_2O_3</math> plater. Man ser at ved 60 vol% blir strukturen uordnet og hullete, mens platene beholder sin struktur for vol% lavere enn 20. Lengdeskalaen på bildene er henholdsvis 10, 5 og 2µm.]]

[[Bilde:stress vs strain.jpg|right|thumb|300px|Denne figuren viser hvordan komposittmaterialet tåler mer og mer påført kraft før det deformeres ettersom volumprosenten av plater økes fra null og opp imot 20]]
Bonderer ''et al.'' (ref: bioinspired artikkelen) valgte å lage en forsterket polymerfilm med 15 vol% aluminiumoksidplater i en matrise av kitosan. Aluminiumsplatene har en estimert strekkstyrke <math>\sigma_p</math> på 2 GPa (der aragonitt til sammenligning har en strekkstyrke mellom 360 og 500 MPa), og kitosan har en flyt skjærstyrke på ca 40MPa. Dette gir en kritisk verdi <math>s_c</math> på omtrent 50, noe som er mye høyere enn hva man finner i skjellstrukturer i naturen (<math>9<s_c<12,5</math> for nacre). Man kan dermed øke aspektraten (s) og fortsatt beholde en fleksibel oppførsel ved påført kraft, noe som gjør at materialet tåler mer. I dette eksempelet valgte forskerne en aspektrate på 40, og plater med en tykkelse på ca 200nm. Tykkelsen er på samme nivå som platene funnet i nacre, men i og med at aspektraten er høyere kan platene være lengre, og dette øker effektiviteten av kraftskifting (load transfer) til de uorganiske platene. Volumprosenten ble satt til 15 på grunnlag av observasjonene vist i figur___, der man ser at volumprosenter over 20 gir materialet en hullete og dårlig struktur. I tillegg ble dette valget basert på observasjoner av hvor mye materialet deformeres som følger av påført kraft, som vist i figur__.

Podsiadlo og hans kolleger har prøvd seg med montmorillonitt (MTM) leirplater i en matrise av polyvinylalkohol (PVA). De har fokusert på kjemien i grensesnittet mellom platene og polymermatrisen for å maksimere kraftoverføring til den sterkere uorganiske fasen.

== Produksjon ==
=== Metoder ===
Fabrikasjonsmetodene for å produsere nacre-lignende materialer kan i hovedsak deles opp i tre kategorier:
*'''Selvorganisering og "bottom up"'''
Denne metoden er nyttig i produksjonen av harde materialer, og drar nytte av visse elementers evne til å adsorbere og selvorganisere på en overflate.
*'''Elektroforetisk deposisjon'''
Denne metoden baserer seg på at ladde partikler selvorganiserer under påvirkning av et elektrisk felt. Ladde nanopartikler blandes i en suspensjon, og ved å sette på et eksternt elektrisk felt vil disse migrere til og feste seg på elektroden.
*'''Lag på lag metoden'''
Dette er en enkel metode for å produsere tynne filmer, gjerne med alternerende organisk-uorganisk fase. Et ladd substrat dyppes annenhver gang i motsatt ladde løsninger av polyelektrolytter.
*'''Templat inhibering'''

=== Anvendte teknikker ===
Noen av ovennevnte fabrikasjonsmetoder innebærer bruken av teknikker som krever en kort forklaring:

*'''Dip coating: Dypp-belegging'''
[[Bilde:Dip coating.gif|left|thumb|300px|De tre trinnene i dypp-beleggingsprosessen]]
Som det fremkommer av navnet beskriver dette en metode for å belegge noe med et tynt lag av noe annet. Vanligvis deles prosessen inn i fire deler: Først senkes gjenstanden som skal belegges ned i et beleggingsmateriale med konstant hastighet. Deretter lar man gjenstanden hvile i løsningen av beleggingsmateriale, slik at det skal få tid til å feste seg på overflaten. Etter en gitt tid trekkes gjenstanden opp igjen av løsningen, fortsatt med konstant hastighet for å unngå ujevnheter i filmen som blir lagt igjen på overflaten. Til slutt må filmen tørkes, slik at kun materialet som filmen skal bestå av er igjen på overflaten. Dette skjer oftest ved at løsning fordamper.
Det som i hovedsak bestemmer tykkelsen på filmen er hastigheten gjenstanden blir trukket opp igjen fra løsningen med. Jo høyere hastighet, jo tykkere film.

*'''Spin coating: Rotasjonsbelegging'''
Dette beskriver en annen teknikk for å belegge noe med en tynn film. Rotasjonsbelegging består i hovedsak av tre trinn: Påføring, rotasjon og tørking. Først dryppes eller sprayes beleggingsmaterialet, i flytende form, på sentrum av overflaten av gjenstanden som skal belegges. Belegget påføres i overflod i forhold til hva som blir igjen ved slutten av prosessen. Deretter settes gjenstanden inn i en maskin som kan rotere med høy hastighet. Når maskinen roterer vil belegget spres som følger av sentrifugalkraften, og til slutt renne over kanten av overflaten. Hastigheten bestemmer man selv, og avhenger av hvor tykk filmen skal være, og hva slags materiale den består av. Jo høyere vinkelhastighet, jo tynnere film. Vanligvis er løsningen volatil, og fordamper samtidig som gjenstanden roteres. Dette gjør at konsentrasjonen av løsningen også spiller inn på tykkelsen av filmen, der høy konsentrasjon gir en tykkere film enn lav konsentrasjon.
Andre faktorer som spiller inn på tykkelsen og egenskapene til filmen er: Akselerasjon til endelig rotasjonshastighet, rotasjonstid, viskositet til beleggingsvesken, fordampningshastighet, overflatespenning, temperatur, luftfuktighet osv.

*'''Sonication: Lydbehandling'''
Lydbehandling består i å tilføre energi til en prøve ved bruk av lydbølger, vanligvis ultralyd. Den høyfrekvente lyden blir generert elektronisk, og tilføres videre som mekanisk energi til prøven via en metallprobe som oscillerer med høy frekvens. Et såkalt ultralydbad kan også brukes. Når partiklene får høyere energi vil de bevege seg mer, og dette kan utnyttes på flere måter. Intermolekylære bånd kan brytes, noe som kan brukes til å løse opp og blande stoffer svært raskt. Energien tilført kan også utnyttes for å få en kjemisk reaksjon til å gå, til å fjerne oppløst gass fra en væske eller til å starte en krystalliseringsprosess. Innen biologi kan lydbehandling brukes til å ødelegge cellemembraner, for så å frigjøre det som befinner seg inne i cellen. Et mer populært bruksområde er rengjøring, fordi lydbehandling kan brukes til å løsne partikler fra en overflate. Denne typen rengjøring blir ofte brukt på briller og smykker.

=== Fremgangsmåte ===
Flere materialer har blitt prøvd ut for å lage lignende polymerfilmer, men her skal vi se på produksjonen av en film satt sammen av aluminiumsplater og kitosan. Kitosan er en biopolymer som produseres fra råstoffet kitin, som man i Norge hovedsakelig utvinner fra rekeskall.

Hovedidéen bak produksjonsprosessen er at man skal legge aluminiumsplater og kitosan lagvis oppå hverandre, inntil man oppnår en film med en tykkelse på mindre enn noen titalls mikrometer. Hvert lag må altså være svært tynt, og aluminiumsplatene må ikke ligge klumpet oppå hverandre.

På grunn av sin lave størrelse kan aluminiumsplatene ses på som kolloidale partikler, og har evnen til å adsorbere på overflaten mellom luft og vann. Det blir utnyttet her. For å lette adsorpsjonen blir først noe hydrofobe silankjeder (aminopropyltriethoxysilane, ATES) festet på den ene siden av aluminiumsplatene. En silankjede kan ses på som ekvivalent til et alkan, der karbonet er byttet ut med silisium. Festeprosessen blir gjort ved å tilsette plater i en løsning av ATES, løsningen lydbehandles så i fem minutter og blandes i 30 min ved 40graderC. Platene blir så vasket med etanol ved hjelp av sentrifugering. Silankjedene som festes på aluminiumsplatene har en aminogruppe på enden, som senere er ment å danne hydrogenbånd med oksygenet i kitosan.

For å danne en tett og homogen langmuirfilm av plater på vannoverflaten lages først en suspensjon av plater i etanol. Suspensjonen består av 1 vol% plater. Denne løsningen blir så dryppet på en vannoverflate, og videre behandlet i 15-30 min med lydbehandling. I løpet av lydbehandlingen dannes også elektriske dobbeltlag mellom de likt ladde aluminiumsplatene, og frastøtningskreftene mellom dem bidrar til bedre struktur i monolaget.

Monolaget blir så overført til en glassplate ved bruk av dypp-belegging og tørking ved 50graderC. Neste steg er å belegge dette igjen med et tynt lag av kitosan, noe som blir gjort ved rotasjonsbelegging. Beleggingsløsningen blir laget ved å la kitosan ligge i en 0,34 M løsning av eddiksyre i minst 24 timer. Eddiksyren er ment å protonere kitosan makromolekylene og amingruppene på enden av silankjedene, for å lette dannelsen av hydrogenbond mellom den organiske og uorganiske fasen. Rotasjon utføres i 40 sekunder med en hastighet på 2000 rpm, hvorpå kitosanlaget tørkes ved 50graderC. Tykkelsen av polymerlaget kan bestemmes ved å endre konsentrasjonen av kitosan i beleggingsløsningen.

Disse trinnene blir så gjentatt inntil ønsket tykkelse på filmen er oppnådd, noe som vanligvis tilsvarer mellom 8 og 10 lag av plater. Når filmen er ferdig fjernes den fra glassplaten med et barberblad.
 

==Applikasjoner==
* Biologiske eller syntetiske nacre-lignende materialer har evnen til å integrere seg i benstrukturer, og kan dermed brukes innen biomedisin, spesielt innen ortopedi og tannbehandling. 
* Applikasjoner for sterke polymerer (her bør det finnes mye rart) 
* Applikasjoner for holdbare keramer

 

==Relevans for nanoteknologer==
Dette eksempelet viser at det er viktig for nanoteknologer å la seg inspirere av naturens nanostrukturer, men samtidig også slippe seg løs og finne nye materialer og løsninger som er bedre egnet enn det naturen kan få til. Kanskje har også naturen enda mer å gå på evolusjonsmessig; det lønner seg å utforske forskjellige variasjoner av oppbygningen. Naturen har imidlertid også en fordel når det kommer til oppbygning av nanostrukturerte materialer; mens vi aktivt hele tiden må vurdere strukturer, tykkelse av lag, materialer, kostnad etc. for å få best mulig materiale (dvs med minst mulig feil og best mulig egenskaper), klarer organismer vha DNA og RNA å bygge mikro- og nanostrukturer med en utrolig nøyaktighet og nærmest uten feil. Eksemplet på dette er når ''Bonderer et al.'' ikke klarer å lage polymerfilmer med høy platekonsentrasjon med tilstrekkelig regelmessig struktur. 
Man kan også lære av tankegangen i dette forsøket; i stedet for å lage mer holdbare keramer, som er formålet med skjellenes oppbygning, bruker man det man har lært fra skjellene til å lage sterkere polymerer for andre formål.

 

== Kilder ==

[1] http://hal.archives-ouvertes.fr/docs/00/09/20/27/PDF/Bourrat-BioMin-2005.pdf 
[2] http://www.biophysik.uni-bremen.de/fritz/research.html 
http://nysgjerrigper.no/Artikler/2005/april/med-naturen-som-fasit 
http://arjournals.annualreviews.org/doi/full/10.1146/annurev.physchem.51.1.601?amp;searchHistoryKey=${searchHistoryKey}&cookieSet=1 
http://www.sciencemag.org/cgi/reprint/318/5847/80.pdf 
(Den spirituelle digresjonen):"http://www.althelse.com/steiner-&-krystaller/1228-abalone.html?showall=1" 
http://www.sciencemag.org/cgi/data/319/5866/1069/DC1/1 
Bioinspired Design and Assembly of Platelet Reinforced Polymer Films, Lorenz J. Bonderer, et al. Science 319, 1069 (2008); DOI: 10.1126/science.1148726
http://www.sciencemag.org/cgi/content/full/sci;319/5866/1053#ref4 
http://www.clean.cise.columbia.edu//process/spintheory.pdf 
http://en.wikipedia.org/wiki/Spin_coating 
http://en.wikipedia.org/wiki/Sonication 
http://en.wikipedia.org/wiki/Cell_disruption 
http://rsta.royalsocietypublishing.org/content/367/1893/1587.full 
http://www.nanowerk.com/spotlight/spotid=2131.php

Bioinspirert design og sammensetting av plateforsterkede polymerfilmer

2009-03-23T10:39:57Z

Eirikgje: /* Oppbygningen av skjellet */

== Innledning ==
[[Bilde:fuflogfly.jpg|right|thumb|350px|NASA har utviklet et fly som kan endre form og lengde på vingene for minst mulig motstand og turbulens under flygingen, og som kan splitte opp vingespissene ved landing. Designet er inspirert av hvithodehavørnen, vist til vesntre.]]
Naturen har gjennom millioner av år med evolusjon utviklet sofistikerte og effektive materialer til forskjellige formål. Vi mennesker har kun eksistert en brøkdel av denne tidsperioden, og på tross av at vi er en av de dyktigste livsformene hva gjelder utvikling av forskjellige redskaper, har vi fortsatt mye å lære av andre organismer. I naturen finnes hundrevis av eksempler på fremgangsmåter, kamuflasje og smarte materialer, som vi bare såvidt har begynt å utforske. Noen eksempler er fly konstruert etter inspirasjon fra fuglers flyteknikk, svømmedrakter designet på samme måte som haihud, og en kamuflasjegel som reflekterer lyset fra omgivelsene, inspirert av blekksprutens evne til å skifte farge.

== Inspirasjon ==
Så og si alle biologiske komposittmaterialer har spesifikke strukturegenskaper på alle lengdeskalaer, fra molekylær, via nanoskopisk og mikroskopisk, til makroskopisk. Innen nanoteknologi er det spesielt interessant å utforske hvordan naturen har utviklet materialer på mikro- og nanoskala for å få dem best mulig egnet til deres bruk.

Mange organismer har bruk for harde og slitesterke materialer. For mennesker og andre dyr er det viktig å ha sterke tenner og skjelett, for mindre organismer er det viktig med harde skall for å beskytte de bløte delene. Et eksempel på dette er forskjellige skjell, som bygger skallet sitt ved hjelp av nanostrukturerte aragonitt(CaC03, kanskje bedre kjent som kritt)-plater omgitt av lag med elastiske biopolymerer som kitin, lustrin og andre proteiner. Denne oppbygningen av materialet gjør det 3000 ganger sterkere enn rent aragonitt, og det er denne enorme forskjellen som gjør at forskere i lang tid har prøvd å lære mer om oppbygningen. Håpet må være at vi innen en stadig minkende tidshorisont kan bruke denne kunnskapen til å masseprodusere sterkere og lettere stoffer enn tidligere.

== Utfordring ved bruk av nanobyggestener ==
Nanobyggestener er hver for seg tilnærmet ideelle materialer, med høy strekkstyrke og Young's modulus. Dessverre er det ikke slik at man kan hive sammen en haug av nanopartikler, og oppnå et materiale i bulk med egenskaper lik summen av partiklene det er satt sammen av. Det har vist seg at polymerer styrket med nanomaterialer har langt dårligere egenskaper enn de enkelte byggestenene hver for seg. Unntaket er hvis volumprosenten av det styrkende nanomaterialet er lav. Dette kan antakeligvis forklares ved viktigheten av struktur i komposittmaterialet. Hvis man bruker en høy volumprosent av nanopartikler er det vanskelig å kontrollere strukturen, spesielt fordi partiklene har en tendens til å aggregere og danne bulk materiale. Det er ønskelig at nanoelementene i komposittmaterialet rangerer seg på en ordnet måte, uten å klumpe seg sammen, da dette maksimerer kontaktflaten mellom nanopartikler og polymer.

En annen utfordring er selve produksjonen. Det er svært vanskelig å kontrollere oppførselen til et materiale på nanoskala. Det finnes muligheter for å plassere en og en partikkel f.eks med en AFM spiss, men hvis produksjon skal foregå på litt større skala må man ty til selvorganisering. For å oppnå ønsket resultat ved selvorganisering trengs inngående kunnskap om nanomaterialets fysiske og kjemiske egenskaper.

== Oppbygningen av skjellet ==
[[Bilde:nacreAFMPC.jpg|left|thumb|250px|Oppbygningen av Abalonskjellet, med polygonformede biokrystaller omggitt av proteiner. Bilde tatt med AFM og fasekontrast. [1]]]

''Haliotis Rufescens'' (Rød Abalon, Regnbuestein) er en av de sterkeste skjellene hva gjelder fysiske egenskaper. Innsiden har et regnbuefarget utseende, litt på samme måten som en CD, og denne likheten er det første indisiet på at vi har med en mikro- eller nanostruktur å gjøre. Allerede i 1955 kunne ''Grégoire et al.'' bevise at skjellene består av plater med organiske forbindelser, og ''Weiner'' kunne i 1986 fastslå at det dreide seg om plater på ca. ~5 µm i diameter, og med en tykkelse på 0.5µm, omgitt av et biopolymer. Ved å studere skjellet med AFM, SEM og TEM, har man med tiden kartlagt oppbygningen til materialet; skjellene består polygoniske biomineraler av aragonitt/kritt(CaCO3) separert av tynne (~45nm) lag med elastiske, organiske polymer-lignende proteiner, slik at strukturen på nano-skala ligner makroskopiske murvegger, med krystallene som "mursteiner" og proteinene som "sement". Det finnes to forskjellige strukturformer i skjellene; kolonne- og trappeform.
[[Bilde:nacreSEMcross.jpg|right|thumb|250px|Tversnitt av Abalonskjellet, tatt med SEM. [2]]]
Kolonneform betyr at sentrum av hver krystallplate ligger omtrent rett over sentrum av plata under. Når sentrum i hver plate ligger omtrent over skjøten mellom de underliggende platene, omtrent på samme måte som i murvegger, kalles dette trappeform. Det som fascinerer mest med denne oppbygningen er at hovedbestanddelen (95%) av materialet er kritt, et av naturens mest skjøre materialer (tenk tavlekritt, eggeskall etc). Oppbygningen i skjellene gjør at materialet tåler 3000 ganger så mye som aragonitt i vanlig bulk-form. Den samme strukturen finnes blant annet i ben hos alle større dyr, blant annet hos mennesket. Vår benbygning består på samme måte av plater med mineralet kalsium- hydroksyapatitt, omgitt av et mykere vev av kollagen. Den viktigste forskjellen mellom skjellene og vår benbygning er likevel at våre ben består av relativt sett mindre mineraler i forhold til det mykere biopolymeret (~95% for skjellene og ~45% i vår benbygning). Dette gjør at mens skjellene er hardere enn vår benbygning, tåler vi mer støt, strekk og bøying før materialet gir etter.

(En liten digresjon for de spirituelle (fra Alternativ Helse): "Abalon er god for kjærlighet, romantikk, god mat, og kreativitet (spesielt lyrikk og musikk) (...) Beskytter mot negative energier, spesielt sinne, depresjon, frykt, og tristhet. (...) fører til inspirasjon og kreativitet, spesielt innen skriving. Denne virkningen er sterkest til skapende skriving, som poesi og lyrikk, men er også fin innen forretning eller skoleskriving.")

== Dimensjoner og materialer ==
Biomimikk går ut på å imitere naturen nøyaktig for å bygge opp materialer med de egenskapene man finner i naturen. Bioinspirasjon derimot, handler om å hente inspirasjon fra naturens mange kilder, for så å utvikle videre et syntetisk materiale med helt spesifikke egenskaper, som kan overskride naturen på flere områder. Vi har mange flere materialer å velge mellom enn naturen, kan variere dimensjoner og strukturer på alle lengdeskalaer, og har dermed mange flere variable å utforske for å oppnå akkurat de egenskapene vi er ute etter. Dette er imidlertid lettere sagt en gjort, konstruksjonen av ben eller skjell lignende strukturer har vist seg å være ekstremt vanskelig, spesielt fordi det er meget utfordrene å finne generelle teknikker som fungerer for forskjellige materialer. Vi skal derfor her ta for oss en spesifikk type polymerfilm.

Før valg av materiale gjelder det å få oversikt over hvilke egenskaper den organiske og den uorganiske fasen bør ha, og hvor stor prosentandel man ideelt sett bør bruke av hver av dem.

Hvis man kjenner til styrken til de forskjellige materialene hver for seg samt volumprosenten av plater, kan man regne ut den totale styrken til hybridmaterialet ved følgende formel:
:<math>\sigma_c = \alpha V_p \sigma_p + (1-V_p)\sigma_m</math>
Der <math>\sigma_c</math> er maksimal strekkstyrke (tensile strength) til materialet, <math>V_p</math> er volumprosenten av plater, <math>\sigma_p</math> og <math>\sigma_m</math> er strekkstyrken til henholdsvis platene og polymermaterialet i matrisen rundt platene. <math>\alpha</math> er en funksjon av s, <math>\tau_y</math> og <math>\sigma_p</math>, der s er forholdet mellom lengde og tykkelse på platene (aspektrate) og <math>\tau_y</math> er flyt skjærstyrken (yield shear stength) til polymermatrisen.

[[Bilde:Brudd copy.jpg|left|thumb|250px|Den øverste figuren viser hvordan filmen vil knekke hvis <math>s>s_c</math>, mens den nederste figuren illustrerer hvordan materialet kan bli styrket hvis <math>s<s_c</math>, og platene er fleksible i polymermatrisen i stedet for å knekke tvert av ved en påført kraft.]]
Uttrykket for <math>\alpha</math> avhenger av s, aspektraten til platene. Hvis s er høyere enn en kritisk verdi <math>s_c</math>, vil hybridmaterialet knekke tvert av ved en viss påført kraft. I dette tilfellet uttrykkes <math>\alpha</math> på følgende måte:
:<math>\alpha = 1-\frac{\sigma_p}{2\tau_y s}</math>

Hvis s derimot er mindre enn den kritiske verdien <math>s_c</math>, vil platene være fleksible i polymermatrisen når en kraft påføres, og det skal mye mer til før materialet går helt i stykker. I dette tilfellet uttrykkes <math>\alpha</math> som følger:
:<math>\alpha = \frac{\tau_y s}{2\sigma_p}</math>

Den ønskelige situasjonen er sistnevnte, der <math>s<s_c</math>. For å oppnå maksimal styrke på alle måter bør s være nært oppunder <math>s_c</math>.

<math>s_c</math> er en funksjon av <math>\sigma_p</math> og <math>\tau_y</math>: <math>s_c = \frac{\sigma_p}{\tau_y}</math>

Naturen har begrenset med materialer å velge mellom. Nacre er for eksempel bygget opp av aragonittplater i et organisk materiale, og <math>s_c</math> befinner seg da et sted mellom 9 og 12,5, noe som er en relativt lav verdi. Aragonitt har en <math>\sigma_p</math> verdi på mellom 360 og 500 MPa, mens syntetiske uorganiske plater kan ha <math>\sigma_p</math> verdier mellom 2 og 5 GPa. Dette gir rom for å bruke plater med en merkbart høyere aspektrate, uten å overskride den kritiske verdien <math>s_c</math>.

Volumprosenten av uorganiske plater har mye å si for filmens egenskaper. For få plater gir et materiale som tåler mye deformering før det ødelegges, men som til gjengjeld er mykt og lite beskyttende. For mange plater gjør materialet hardt og stivt, men da blir det også skjørt og følsomt for sprekker. Hvis volumprosenten er altfor høy vil dessuten ikke platene organisere seg i en ordnet struktur som gir de egenskapene vi er ute etter. Her ønskes et materiale som både er hardt og fleksibelt.

[[Bilde:volumprosent.jpg|center|thumb|800px|Figur A, B og C inneholder henholdsvis 5, 11 og 60 vol% <math>Al_2O_3</math> plater. Man ser at ved 60 vol% blir strukturen uordnet og hullete, mens platene beholder sin struktur for vol% lavere enn 20. Lengdeskalaen på bildene er henholdsvis 10, 5 og 2µm.]]

[[Bilde:stress vs strain.jpg|right|thumb|300px|Denne figuren viser hvordan komposittmaterialet tåler mer og mer påført kraft før det deformeres ettersom volumprosenten av plater økes fra null og opp imot 20]]
Bonderer ''et al.'' (ref: bioinspired artikkelen) valgte å lage en forsterket polymerfilm med 15 vol% aluminiumoksidplater i en matrise av kitosan. Aluminiumsplatene har en estimert strekkstyrke <math>\sigma_p</math> på 2 GPa (der aragonitt til sammenligning har en strekkstyrke mellom 360 og 500 MPa), og kitosan har en flyt skjærstyrke på ca 40MPa. Dette gir en kritisk verdi <math>s_c</math> på omtrent 50, noe som er mye høyere enn hva man finner i skjellstrukturer i naturen (<math>9<s_c<12,5</math> for nacre). Man kan dermed øke aspektraten (s) og fortsatt beholde en fleksibel oppførsel ved påført kraft, noe som gjør at materialet tåler mer. I dette eksempelet valgte forskerne en aspektrate på 40, og plater med en tykkelse på ca 200nm. Tykkelsen er på samme nivå som platene funnet i nacre, men i og med at aspektraten er høyere kan platene være lengre, og dette øker effektiviteten av kraftskifting (load transfer) til de uorganiske platene. Volumprosenten ble satt til 15 på grunnlag av observasjonene vist i figur___, der man ser at volumprosenter over 20 gir materialet en hullete og dårlig struktur. I tillegg ble dette valget basert på observasjoner av hvor mye materialet deformeres som følger av påført kraft, som vist i figur__.

Podsiadlo og hans kolleger har prøvd seg med montmorillonitt (MTM) leirplater i en matrise av polyvinylalkohol (PVA). De har fokusert på kjemien i grensesnittet mellom platene og polymermatrisen for å maksimere kraftoverføring til den sterkere uorganiske fasen.

== Produksjon ==
=== Metoder ===
Fabrikasjonsmetodene for å produsere nacre-lignende materialer kan i hovedsak deles opp i tre kategorier:
*'''Selvorganisering og "bottom up"'''
Denne metoden er nyttig i produksjonen av harde materialer, og drar nytte av visse elementers evne til å adsorbere og selvorganisere på en overflate.
*'''Elektroforetisk deposisjon'''
Denne metoden baserer seg på at ladde partikler selvorganiserer under påvirkning av et elektrisk felt. Ladde nanopartikler blandes i en suspensjon, og ved å sette på et eksternt elektrisk felt vil disse migrere til og feste seg på elektroden.
*'''Lag på lag metoden'''
Dette er en enkel metode for å produsere tynne filmer, gjerne med alternerende organisk-uorganisk fase. Et ladd substrat dyppes annenhver gang i motsatt ladde løsninger av polyelektrolytter.
*'''Templat inhibering'''

=== Anvendte teknikker ===
Noen av ovennevnte fabrikasjonsmetoder innebærer bruken av teknikker som krever en kort forklaring:

*'''Dip coating: Dypp-belegging'''
[[Bilde:Dip coating.gif|left|thumb|300px|De tre trinnene i dypp-beleggingsprosessen]]
Som det fremkommer av navnet beskriver dette en metode for å belegge noe med et tynt lag av noe annet. Vanligvis deles prosessen inn i fire deler: Først senkes gjenstanden som skal belegges ned i et beleggingsmateriale med konstant hastighet. Deretter lar man gjenstanden hvile i løsningen av beleggingsmateriale, slik at det skal få tid til å feste seg på overflaten. Etter en gitt tid trekkes gjenstanden opp igjen av løsningen, fortsatt med konstant hastighet for å unngå ujevnheter i filmen som blir lagt igjen på overflaten. Til slutt må filmen tørkes, slik at kun materialet som filmen skal bestå av er igjen på overflaten. Dette skjer oftest ved at løsning fordamper.
Det som i hovedsak bestemmer tykkelsen på filmen er hastigheten gjenstanden blir trukket opp igjen fra løsningen med. Jo høyere hastighet, jo tykkere film.

*'''Spin coating: Rotasjonsbelegging'''
Dette beskriver en annen teknikk for å belegge noe med en tynn film. Rotasjonsbelegging består i hovedsak av tre trinn: Påføring, rotasjon og tørking. Først dryppes eller sprayes beleggingsmaterialet, i flytende form, på sentrum av overflaten av gjenstanden som skal belegges. Belegget påføres i overflod i forhold til hva som blir igjen ved slutten av prosessen. Deretter settes gjenstanden inn i en maskin som kan rotere med høy hastighet. Når maskinen roterer vil belegget spres som følger av sentrifugalkraften, og til slutt renne over kanten av overflaten. Hastigheten bestemmer man selv, og avhenger av hvor tykk filmen skal være, og hva slags materiale den består av. Jo høyere vinkelhastighet, jo tynnere film. Vanligvis er løsningen volatil, og fordamper samtidig som gjenstanden roteres. Dette gjør at konsentrasjonen av løsningen også spiller inn på tykkelsen av filmen, der høy konsentrasjon gir en tykkere film enn lav konsentrasjon.
Andre faktorer som spiller inn på tykkelsen og egenskapene til filmen er: Akselerasjon til endelig rotasjonshastighet, rotasjonstid, viskositet til beleggingsvesken, fordampningshastighet, overflatespenning, temperatur, luftfuktighet osv.

*'''Sonication: Lydbehandling'''
Lydbehandling består i å tilføre energi til en prøve ved bruk av lydbølger, vanligvis ultralyd. Den høyfrekvente lyden blir generert elektronisk, og tilføres videre som mekanisk energi til prøven via en metallprobe som oscillerer med høy frekvens. Et såkalt ultralydbad kan også brukes. Når partiklene får høyere energi vil de bevege seg mer, og dette kan utnyttes på flere måter. Intermolekylære bånd kan brytes, noe som kan brukes til å løse opp og blande stoffer svært raskt. Energien tilført kan også utnyttes for å få en kjemisk reaksjon til å gå, til å fjerne oppløst gass fra en væske eller til å starte en krystalliseringsprosess. Innen biologi kan lydbehandling brukes til å ødelegge cellemembraner, for så å frigjøre det som befinner seg inne i cellen. Et mer populært bruksområde er rengjøring, fordi lydbehandling kan brukes til å løsne partikler fra en overflate. Denne typen rengjøring blir ofte brukt på briller og smykker.

=== Fremgangsmåte ===
Flere materialer har blitt prøvd ut for å lage lignende polymerfilmer, men her skal vi se på produksjonen av en film satt sammen av aluminiumsplater og kitosan. Kitosan er en biopolymer som produseres fra råstoffet kitin, som man i Norge hovedsakelig utvinner fra rekeskall.

Hovedidéen bak produksjonsprosessen er at man skal legge aluminiumsplater og kitosan lagvis oppå hverandre, inntil man oppnår en film med en tykkelse på mindre enn noen titalls mikrometer. Hvert lag må altså være svært tynt, og aluminiumsplatene må ikke ligge klumpet oppå hverandre.

På grunn av sin lave størrelse kan aluminiumsplatene ses på som kolloidale partikler, og har evnen til å adsorbere på overflaten mellom luft og vann. Det blir utnyttet her. For å lette adsorpsjonen blir først noe hydrofobe silankjeder (aminopropyltriethoxysilane, ATES) festet på den ene siden av aluminiumsplatene. En silankjede kan ses på som ekvivalent til et alkan, der karbonet er byttet ut med silisium. Festeprosessen blir gjort ved å tilsette plater i en løsning av ATES, løsningen lydbehandles så i fem minutter og blandes i 30 min ved 40graderC. Platene blir så vasket med etanol ved hjelp av sentrifugering. Silankjedene som festes på aluminiumsplatene har en aminogruppe på enden, som senere er ment å danne hydrogenbånd med oksygenet i kitosan.

For å danne en tett og homogen langmuirfilm av plater på vannoverflaten lages først en suspensjon av plater i etanol. Suspensjonen består av 1 vol% plater. Denne løsningen blir så dryppet på en vannoverflate, og videre behandlet i 15-30 min med lydbehandling. I løpet av lydbehandlingen dannes også elektriske dobbeltlag mellom de likt ladde aluminiumsplatene, og frastøtningskreftene mellom dem bidrar til bedre struktur i monolaget.

Monolaget blir så overført til en glassplate ved bruk av dypp-belegging og tørking ved 50graderC. Neste steg er å belegge dette igjen med et tynt lag av kitosan, noe som blir gjort ved rotasjonsbelegging. Beleggingsløsningen blir laget ved å la kitosan ligge i en 0,34 M løsning av eddiksyre i minst 24 timer. Eddiksyren er ment å protonere kitosan makromolekylene og amingruppene på enden av silankjedene, for å lette dannelsen av hydrogenbond mellom den organiske og uorganiske fasen. Rotasjon utføres i 40 sekunder med en hastighet på 2000 rpm, hvorpå kitosanlaget tørkes ved 50graderC. Tykkelsen av polymerlaget kan bestemmes ved å endre konsentrasjonen av kitosan i beleggingsløsningen.

Disse trinnene blir så gjentatt inntil ønsket tykkelse på filmen er oppnådd, noe som vanligvis tilsvarer mellom 8 og 10 lag av plater. Når filmen er ferdig fjernes den fra glassplaten med et barberblad.
 

==Applikasjoner==
- Biologiske eller syntetiske nacre-lignende materialer har evnen til å integrere seg i benstrukturer, og kan dermed brukes innen biomedisin, spesielt innen ortopedi og tannbehandling.
- Applikasjoner for sterke polymerer (her bør det finnes mye rart) 
- Applikasjoner for holdbare keramer

 

==Relevans for nanoteknologer==
Dette eksempelet viser at det er viktig for nanoteknologer å la seg inspirere av naturens nanostrukturer, men samtidig også slippe seg løs og finne nye materialer og løsninger som er bedre egnet enn det naturen kan få til. Kanskje har også naturen enda mer å gå på evolusjonsmessig; det lønner seg å utforske forskjellige variasjoner av oppbygningen. Naturen har imidlertid også en fordel når det kommer til oppbygning av nanostrukturerte materialer; mens vi aktivt hele tiden må vurdere strukturer, tykkelse av lag, materialer, kostnad etc. for å få best mulig materiale (dvs med minst mulig feil og best mulig egenskaper), klarer organismer vha DNA og RNA å bygge mikro- og nanostrukturer med en utrolig nøyaktighet og nærmest uten feil. Eksemplet på dette er når ''Bonderer et al.'' ikke klarer å lage polymerfilmer med høy platekonsentrasjon med tilstrekkelig regelmessig struktur. 
Man kan også lære av tankegangen i dette forsøket; i stedet for å lage mer holdbare keramer, som er formålet med skjellenes oppbygning, bruker man det man har lært fra skjellene til å lage sterkere polymerer for andre formål.

 

== Kilder ==

[1] http://hal.archives-ouvertes.fr/docs/00/09/20/27/PDF/Bourrat-BioMin-2005.pdf 
[2] http://www.biophysik.uni-bremen.de/fritz/research.html 
http://nysgjerrigper.no/Artikler/2005/april/med-naturen-som-fasit 
http://arjournals.annualreviews.org/doi/full/10.1146/annurev.physchem.51.1.601?amp;searchHistoryKey=${searchHistoryKey}&cookieSet=1 
http://www.sciencemag.org/cgi/reprint/318/5847/80.pdf 
(Den spirituelle digresjonen):"http://www.althelse.com/steiner-&-krystaller/1228-abalone.html?showall=1" 
http://www.sciencemag.org/cgi/data/319/5866/1069/DC1/1 
Bioinspired Design and Assembly of Platelet Reinforced Polymer Films, Lorenz J. Bonderer, et al. Science 319, 1069 (2008); DOI: 10.1126/science.1148726
http://www.sciencemag.org/cgi/content/full/sci;319/5866/1053#ref4 
http://www.clean.cise.columbia.edu//process/spintheory.pdf 
http://en.wikipedia.org/wiki/Spin_coating 
http://en.wikipedia.org/wiki/Sonication 
http://en.wikipedia.org/wiki/Cell_disruption 
http://rsta.royalsocietypublishing.org/content/367/1893/1587.full 
http://www.nanowerk.com/spotlight/spotid=2131.php

Bioinspirert design og sammensetting av plateforsterkede polymerfilmer

2009-03-23T10:35:12Z

Eirikgje: /* Oppbygningen av skjellet */

== Innledning ==
[[Bilde:fuflogfly.jpg|right|thumb|350px|NASA har utviklet et fly som kan endre form og lengde på vingene for minst mulig motstand og turbulens under flygingen, og som kan splitte opp vingespissene ved landing. Designet er inspirert av hvithodehavørnen, vist til vesntre.]]
Naturen har gjennom millioner av år med evolusjon utviklet sofistikerte og effektive materialer til forskjellige formål. Vi mennesker har kun eksistert en brøkdel av denne tidsperioden, og på tross av at vi er en av de dyktigste livsformene hva gjelder utvikling av forskjellige redskaper, har vi fortsatt mye å lære av andre organismer. I naturen finnes hundrevis av eksempler på fremgangsmåter, kamuflasje og smarte materialer, som vi bare såvidt har begynt å utforske. Noen eksempler er fly konstruert etter inspirasjon fra fuglers flyteknikk, svømmedrakter designet på samme måte som haihud, og en kamuflasjegel som reflekterer lyset fra omgivelsene, inspirert av blekksprutens evne til å skifte farge.

== Inspirasjon ==
Så og si alle biologiske komposittmaterialer har spesifikke strukturegenskaper på alle lengdeskalaer, fra molekylær, via nanoskopisk og mikroskopisk, til makroskopisk. Innen nanoteknologi er det spesielt interessant å utforske hvordan naturen har utviklet materialer på mikro- og nanoskala for å få dem best mulig egnet til deres bruk.

Mange organismer har bruk for harde og slitesterke materialer. For mennesker og andre dyr er det viktig å ha sterke tenner og skjelett, for mindre organismer er det viktig med harde skall for å beskytte de bløte delene. Et eksempel på dette er forskjellige skjell, som bygger skallet sitt ved hjelp av nanostrukturerte aragonitt(CaC03, kanskje bedre kjent som kritt)-plater omgitt av lag med elastiske biopolymerer som kitin, lustrin og andre proteiner. Denne oppbygningen av materialet gjør det 3000 ganger sterkere enn rent aragonitt, og det er denne enorme forskjellen som gjør at forskere i lang tid har prøvd å lære mer om oppbygningen. Håpet må være at vi innen en stadig minkende tidshorisont kan bruke denne kunnskapen til å masseprodusere sterkere og lettere stoffer enn tidligere.

== Utfordring ved bruk av nanobyggestener ==
Nanobyggestener er hver for seg tilnærmet ideelle materialer, med høy strekkstyrke og Young's modulus. Dessverre er det ikke slik at man kan hive sammen en haug av nanopartikler, og oppnå et materiale i bulk med egenskaper lik summen av partiklene det er satt sammen av. Det har vist seg at polymerer styrket med nanomaterialer har langt dårligere egenskaper enn de enkelte byggestenene hver for seg. Unntaket er hvis volumprosenten av det styrkende nanomaterialet er lav. Dette kan antakeligvis forklares ved viktigheten av struktur i komposittmaterialet. Hvis man bruker en høy volumprosent av nanopartikler er det vanskelig å kontrollere strukturen, spesielt fordi partiklene har en tendens til å aggregere og danne bulk materiale. Det er ønskelig at nanoelementene i komposittmaterialet rangerer seg på en ordnet måte, uten å klumpe seg sammen, da dette maksimerer kontaktflaten mellom nanopartikler og polymer.

En annen utfordring er selve produksjonen. Det er svært vanskelig å kontrollere oppførselen til et materiale på nanoskala. Det finnes muligheter for å plassere en og en partikkel f.eks med en AFM spiss, men hvis produksjon skal foregå på litt større skala må man ty til selvorganisering. For å oppnå ønsket resultat ved selvorganisering trengs inngående kunnskap om nanomaterialets fysiske og kjemiske egenskaper.

== Oppbygningen av skjellet ==
[[Bilde:nacreAFMPC.jpg|left|thumb|250px|Oppbygningen av Abalonskjellet, med polygonformede biokrystaller omggitt av proteiner. Bilde tatt med AFM og fasekontrast. [1]]]

''Haliotis Rufescens'' (Rød Abalon, Regnbuestein) er en av de sterkeste skjellene hva gjelder fysiske egenskaper. Innsiden har et regnbuefarget utseende, litt på samme måten som en CD, og denne likheten er det første indisiet på at vi har med en mikro- eller nanostruktur å gjøre. Allerede i 1955 kunne ''Grégoire et al.'' bevise at skjellene består av plater med organiske forbindelser, og ''Weiner'' kunne i 1986 fastslå at det dreide seg om plater på ca. ~5 µm i diameter, og med en tykkelse på 0.5µm, omgitt av et biopolymer. Ved å studere skjellet med AFM, SEM og TEM, har man med tiden kartlagt oppbygningen til materialet; skjellene består polygoniske biomineraler av aragonitt/kritt(CaCO3) separert av tynne (~45nm) lag med elastiske, organiske polymer-lignende proteiner, slik at strukturen på nano-skala ligner makroskopiske murvegger, med krystallene som "mursteiner" og proteinene som "sement". Det finnes to forskjellige strukturformer i skjellene; kolonne- og trappeform.
[[Bilde:nacreSEMcross.jpg|right|thumb|250px|Tversnitt av Abalonskjellet, tatt med SEM. [2]]]
Kolonneform betyr at sentrum av hver krystallplate ligger omtrent rett over sentrum av plata under. Når sentrum i hver plate ligger omtrent over skjøten mellom de underliggende platene, omtrent på samme måte som i murvegger, kalles dette trappeform. Den samme strukturen finnes blant annet i ben hos alle større dyr, blant annet hos mennesket. Vår benbygning består på samme måte av plater med mineralet kalsium- hydroksyapatitt, omgitt av et mykere vev av kollagen. Den viktigste forskjellen mellom skjellene og vår benbygning er likevel at våre ben består av relativt sett mindre mineraler i forhold til det mykere biopolymeret (~95% for skjellene og ~45% i vår benbygning). Dette gjør at mens skjellene er hardere enn vår benbygning, tåler vi mer støt, strekk og bøying før materialet gir etter.

(En liten digresjon for de spirituelle (fra Alternativ Helse): "Abalon er god for kjærlighet, romantikk, god mat, og kreativitet (spesielt lyrikk og musikk) (...) Beskytter mot negative energier, spesielt sinne, depresjon, frykt, og tristhet. (...) fører til inspirasjon og kreativitet, spesielt innen skriving. Denne virkningen er sterkest til skapende skriving, som poesi og lyrikk, men er også fin innen forretning eller skoleskriving.")

== Dimensjoner og materialer ==
Biomimikk går ut på å imitere naturen nøyaktig for å bygge opp materialer med de egenskapene man finner i naturen. Bioinspirasjon derimot, handler om å hente inspirasjon fra naturens mange kilder, for så å utvikle videre et syntetisk materiale med helt spesifikke egenskaper, som kan overskride naturen på flere områder. Vi har mange flere materialer å velge mellom enn naturen, kan variere dimensjoner og strukturer på alle lengdeskalaer, og har dermed mange flere variable å utforske for å oppnå akkurat de egenskapene vi er ute etter. Dette er imidlertid lettere sagt en gjort, konstruksjonen av ben eller skjell lignende strukturer har vist seg å være ekstremt vanskelig, spesielt fordi det er meget utfordrene å finne generelle teknikker som fungerer for forskjellige materialer. Vi skal derfor her ta for oss en spesifikk type polymerfilm.

Før valg av materiale gjelder det å få oversikt over hvilke egenskaper den organiske og den uorganiske fasen bør ha, og hvor stor prosentandel man ideelt sett bør bruke av hver av dem.

Hvis man kjenner til styrken til de forskjellige materialene hver for seg samt volumprosenten av plater, kan man regne ut den totale styrken til hybridmaterialet ved følgende formel:
:<math>\sigma_c = \alpha V_p \sigma_p + (1-V_p)\sigma_m</math>
Der <math>\sigma_c</math> er maksimal strekkstyrke (tensile strength) til materialet, <math>V_p</math> er volumprosenten av plater, <math>\sigma_p</math> og <math>\sigma_m</math> er strekkstyrken til henholdsvis platene og polymermaterialet i matrisen rundt platene. <math>\alpha</math> er en funksjon av s, <math>\tau_y</math> og <math>\sigma_p</math>, der s er forholdet mellom lengde og tykkelse på platene (aspektrate) og <math>\tau_y</math> er flyt skjærstyrken (yield shear stength) til polymermatrisen.

[[Bilde:Brudd copy.jpg|left|thumb|250px|Den øverste figuren viser hvordan filmen vil knekke hvis <math>s>s_c</math>, mens den nederste figuren illustrerer hvordan materialet kan bli styrket hvis <math>s<s_c</math>, og platene er fleksible i polymermatrisen i stedet for å knekke tvert av ved en påført kraft.]]
Uttrykket for <math>\alpha</math> avhenger av s, aspektraten til platene. Hvis s er høyere enn en kritisk verdi <math>s_c</math>, vil hybridmaterialet knekke tvert av ved en viss påført kraft. I dette tilfellet uttrykkes <math>\alpha</math> på følgende måte:
:<math>\alpha = 1-\frac{\sigma_p}{2\tau_y s}</math>

Hvis s derimot er mindre enn den kritiske verdien <math>s_c</math>, vil platene være fleksible i polymermatrisen når en kraft påføres, og det skal mye mer til før materialet går helt i stykker. I dette tilfellet uttrykkes <math>\alpha</math> som følger:
:<math>\alpha = \frac{\tau_y s}{2\sigma_p}</math>

Den ønskelige situasjonen er sistnevnte, der <math>s<s_c</math>. For å oppnå maksimal styrke på alle måter bør s være nært oppunder <math>s_c</math>.

<math>s_c</math> er en funksjon av <math>\sigma_p</math> og <math>\tau_y</math>: <math>s_c = \frac{\sigma_p}{\tau_y}</math>

Naturen har begrenset med materialer å velge mellom. Nacre er for eksempel bygget opp av aragonittplater i et organisk materiale, og <math>s_c</math> befinner seg da et sted mellom 9 og 12,5, noe som er en relativt lav verdi. Aragonitt har en <math>\sigma_p</math> verdi på mellom 360 og 500 MPa, mens syntetiske uorganiske plater kan ha <math>\sigma_p</math> verdier mellom 2 og 5 GPa. Dette gir rom for å bruke plater med en merkbart høyere aspektrate, uten å overskride den kritiske verdien <math>s_c</math>.

Volumprosenten av uorganiske plater har mye å si for filmens egenskaper. For få plater gir et materiale som tåler mye deformering før det ødelegges, men som til gjengjeld er mykt og lite beskyttende. For mange plater gjør materialet hardt og stivt, men da blir det også skjørt og følsomt for sprekker. Hvis volumprosenten er altfor høy vil dessuten ikke platene organisere seg i en ordnet struktur som gir de egenskapene vi er ute etter. Her ønskes et materiale som både er hardt og fleksibelt.

[[Bilde:volumprosent.jpg|center|thumb|800px|Figur A, B og C inneholder henholdsvis 5, 11 og 60 vol% <math>Al_2O_3</math> plater. Man ser at ved 60 vol% blir strukturen uordnet og hullete, mens platene beholder sin struktur for vol% lavere enn 20. Lengdeskalaen på bildene er henholdsvis 10, 5 og 2µm.]]

[[Bilde:stress vs strain.jpg|right|thumb|300px|Denne figuren viser hvordan komposittmaterialet tåler mer og mer påført kraft før det deformeres ettersom volumprosenten av plater økes fra null og opp imot 20]]
Bonderer ''et al.'' (ref: bioinspired artikkelen) valgte å lage en forsterket polymerfilm med 15 vol% aluminiumoksidplater i en matrise av kitosan. Aluminiumsplatene har en estimert strekkstyrke <math>\sigma_p</math> på 2 GPa (der aragonitt til sammenligning har en strekkstyrke mellom 360 og 500 MPa), og kitosan har en flyt skjærstyrke på ca 40MPa. Dette gir en kritisk verdi <math>s_c</math> på omtrent 50, noe som er mye høyere enn hva man finner i skjellstrukturer i naturen (<math>9<s_c<12,5</math> for nacre). Man kan dermed øke aspektraten (s) og fortsatt beholde en fleksibel oppførsel ved påført kraft, noe som gjør at materialet tåler mer. I dette eksempelet valgte forskerne en aspektrate på 40, og plater med en tykkelse på ca 200nm. Tykkelsen er på samme nivå som platene funnet i nacre, men i og med at aspektraten er høyere kan platene være lengre, og dette øker effektiviteten av kraftskifting (load transfer) til de uorganiske platene. Volumprosenten ble satt til 15 på grunnlag av observasjonene vist i figur___, der man ser at volumprosenter over 20 gir materialet en hullete og dårlig struktur. I tillegg ble dette valget basert på observasjoner av hvor mye materialet deformeres som følger av påført kraft, som vist i figur__.

Podsiadlo og hans kolleger har prøvd seg med montmorillonitt (MTM) leirplater i en matrise av polyvinylalkohol (PVA). De har fokusert på kjemien i grensesnittet mellom platene og polymermatrisen for å maksimere kraftoverføring til den sterkere uorganiske fasen.

== Produksjon ==
=== Metoder ===
Fabrikasjonsmetodene for å produsere nacre-lignende materialer kan i hovedsak deles opp i tre kategorier:
*'''Selvorganisering og "bottom up"'''
Denne metoden er nyttig i produksjonen av harde materialer, og drar nytte av visse elementers evne til å adsorbere og selvorganisere på en overflate.
*'''Elektroforetisk deposisjon'''
Denne metoden baserer seg på at ladde partikler selvorganiserer under påvirkning av et elektrisk felt. Ladde nanopartikler blandes i en suspensjon, og ved å sette på et eksternt elektrisk felt vil disse migrere til og feste seg på elektroden.
*'''Lag på lag metoden'''
Dette er en enkel metode for å produsere tynne filmer, gjerne med alternerende organisk-uorganisk fase. Et ladd substrat dyppes annenhver gang i motsatt ladde løsninger av polyelektrolytter.

=== Anvendte teknikker ===
Noen av ovennevnte fabrikasjonsmetoder innebærer bruken av teknikker som krever en kort forklaring:

*'''Dip coating: Dypp-belegging'''
[[Bilde:Dip coating.gif|left|thumb|300px|De tre trinnene i dypp-beleggingsprosessen]]
Som det fremkommer av navnet beskriver dette en metode for å belegge noe med et tynt lag av noe annet. Vanligvis deles prosessen inn i fire deler: Først senkes gjenstanden som skal belegges ned i et beleggingsmateriale med konstant hastighet. Deretter lar man gjenstanden hvile i løsningen av beleggingsmateriale, slik at det skal få tid til å feste seg på overflaten. Etter en gitt tid trekkes gjenstanden opp igjen av løsningen, fortsatt med konstant hastighet for å unngå ujevnheter i filmen som blir lagt igjen på overflaten. Til slutt må filmen tørkes, slik at kun materialet som filmen skal bestå av er igjen på overflaten. Dette skjer oftest ved at løsning fordamper.
Det som i hovedsak bestemmer tykkelsen på filmen er hastigheten gjenstanden blir trukket opp igjen fra løsningen med. Jo høyere hastighet, jo tykkere film.

*'''Spin coating: Rotasjonsbelegging'''
Dette beskriver en annen teknikk for å belegge noe med en tynn film. Rotasjonsbelegging består i hovedsak av tre trinn: Påføring, rotasjon og tørking. Først dryppes eller sprayes beleggingsmaterialet, i flytende form, på sentrum av overflaten av gjenstanden som skal belegges. Belegget påføres i overflod i forhold til hva som blir igjen ved slutten av prosessen. Deretter settes gjenstanden inn i en maskin som kan rotere med høy hastighet. Når maskinen roterer vil belegget spres som følger av sentrifugalkraften, og til slutt renne over kanten av overflaten. Hastigheten bestemmer man selv, og avhenger av hvor tykk filmen skal være, og hva slags materiale den består av. Jo høyere vinkelhastighet, jo tynnere film. Vanligvis er løsningen volatil, og fordamper samtidig som gjenstanden roteres. Dette gjør at konsentrasjonen av løsningen også spiller inn på tykkelsen av filmen, der høy konsentrasjon gir en tykkere film enn lav konsentrasjon.
Andre faktorer som spiller inn på tykkelsen og egenskapene til filmen er: Akselerasjon til endelig rotasjonshastighet, rotasjonstid, viskositet til beleggingsvesken, fordampningshastighet, overflatespenning, temperatur, luftfuktighet osv.

*'''Sonication: Lydbehandling'''
Lydbehandling består i å tilføre energi til en prøve ved bruk av lydbølger, vanligvis ultralyd. Den høyfrekvente lyden blir generert elektronisk, og tilføres videre som mekanisk energi til prøven via en metallprobe som oscillerer med høy frekvens. Et såkalt ultralydbad kan også brukes. Når partiklene får høyere energi vil de bevege seg mer, og dette kan utnyttes på flere måter. Intermolekylære bånd kan brytes, noe som kan brukes til å løse opp og blande stoffer svært raskt. Energien tilført kan også utnyttes for å få en kjemisk reaksjon til å gå, til å fjerne oppløst gass fra en væske eller til å starte en krystalliseringsprosess. Innen biologi kan lydbehandling brukes til å ødelegge cellemembraner, for så å frigjøre det som befinner seg inne i cellen. Et mer populært bruksområde er rengjøring, fordi lydbehandling kan brukes til å løsne partikler fra en overflate. Denne typen rengjøring blir ofte brukt på briller og smykker.

=== Fremgangsmåte ===
Flere materialer har blitt prøvd ut for å lage lignende polymerfilmer, men her skal vi se på produksjonen av en film satt sammen av aluminiumsplater og kitosan. Kitosan er en biopolymer som produseres fra råstoffet kitin, som man i Norge hovedsakelig utvinner fra rekeskall.

Hovedidéen bak produksjonsprosessen er at man skal legge aluminiumsplater og kitosan lagvis oppå hverandre, inntil man oppnår en film med en tykkelse på mindre enn noen titalls mikrometer. Hvert lag må altså være svært tynt, og aluminiumsplatene må ikke ligge klumpet oppå hverandre.

På grunn av sin lave størrelse kan aluminiumsplatene ses på som kolloidale partikler, og har evnen til å adsorbere på overflaten mellom luft og vann. Det blir utnyttet her. For å lette adsorpsjonen blir først noe hydrofobe silankjeder (aminopropyltriethoxysilane, ATES) festet på den ene siden av aluminiumsplatene. En silankjede kan ses på som ekvivalent til et alkan, der karbonet er byttet ut med silisium. Festeprosessen blir gjort ved å tilsette plater i en løsning av ATES, løsningen lydbehandles så i fem minutter og blandes i 30 min ved 40graderC. Platene blir så vasket med etanol ved hjelp av sentrifugering. Silankjedene som festes på aluminiumsplatene har en aminogruppe på enden, som senere er ment å danne hydrogenbånd med oksygenet i kitosan.

For å danne en tett og homogen langmuirfilm av plater på vannoverflaten lages først en suspensjon av plater i etanol. Suspensjonen består av 1 vol% plater. Denne løsningen blir så dryppet på en vannoverflate, og videre behandlet i 15-30 min med lydbehandling. I løpet av lydbehandlingen dannes også elektriske dobbeltlag mellom de likt ladde aluminiumsplatene, og frastøtningskreftene mellom dem bidrar til bedre struktur i monolaget.

Monolaget blir så overført til en glassplate ved bruk av dypp-belegging og tørking ved 50graderC. Neste steg er å belegge dette igjen med et tynt lag av kitosan, noe som blir gjort ved rotasjonsbelegging. Beleggingsløsningen blir laget ved å la kitosan ligge i en 0,34 M løsning av eddiksyre i minst 24 timer. Eddiksyren er ment å protonere kitosan makromolekylene og amingruppene på enden av silankjedene, for å lette dannelsen av hydrogenbond mellom den organiske og uorganiske fasen. Rotasjon utføres i 40 sekunder med en hastighet på 2000 rpm, hvorpå kitosanlaget tørkes ved 50graderC. Tykkelsen av polymerlaget kan bestemmes ved å endre konsentrasjonen av kitosan i beleggingsløsningen.

Disse trinnene blir så gjentatt inntil ønsket tykkelse på filmen er oppnådd, noe som vanligvis tilsvarer mellom 8 og 10 lag av plater. Når filmen er ferdig fjernes den fra glassplaten med et barberblad.
 

==Applikasjoner==
- Biologiske eller syntetiske nacre-lignende materialer har evnen til å integrere seg i benstrukturer, og kan dermed brukes innen biomedisin, spesielt innen ortopedi og tannbehandling.
- Applikasjoner for sterke polymerer (her bør det finnes mye rart) 
- Applikasjoner for holdbare keramer

 

==Relevans for nanoteknologer==
Dette eksempelet viser at det er viktig for nanoteknologer å la seg inspirere av naturens nanostrukturer, men samtidig også slippe seg løs og finne nye materialer og løsninger som er bedre egnet enn det naturen kan få til. Kanskje har også naturen enda mer å gå på evolusjonsmessig; det lønner seg å utforske forskjellige variasjoner av oppbygningen. Naturen har imidlertid også en fordel når det kommer til oppbygning av nanostrukturerte materialer; mens vi aktivt hele tiden må vurdere strukturer, tykkelse av lag, materialer, kostnad etc. for å få best mulig materiale (dvs med minst mulig feil og best mulig egenskaper), klarer organismer vha DNA og RNA å bygge mikro- og nanostrukturer med en utrolig nøyaktighet og nærmest uten feil. Eksemplet på dette er når ''Bonderer et al.'' ikke klarer å lage polymerfilmer med høy platekonsentrasjon med tilstrekkelig regelmessig struktur. 
Man kan også lære av tankegangen i dette forsøket; i stedet for å lage mer holdbare keramer, som er formålet med skjellenes oppbygning, bruker man det man har lært fra skjellene til å lage sterkere polymerer for andre formål.

 

== Kilder ==

[1] http://hal.archives-ouvertes.fr/docs/00/09/20/27/PDF/Bourrat-BioMin-2005.pdf 
[2] http://www.biophysik.uni-bremen.de/fritz/research.html 
http://nysgjerrigper.no/Artikler/2005/april/med-naturen-som-fasit 
http://arjournals.annualreviews.org/doi/full/10.1146/annurev.physchem.51.1.601?amp;searchHistoryKey=${searchHistoryKey}&cookieSet=1 
http://www.sciencemag.org/cgi/reprint/318/5847/80.pdf 
(Den spirituelle digresjonen):"http://www.althelse.com/steiner-&-krystaller/1228-abalone.html?showall=1" 
http://www.sciencemag.org/cgi/data/319/5866/1069/DC1/1 
Bioinspired Design and Assembly of Platelet Reinforced Polymer Films, Lorenz J. Bonderer, et al. Science 319, 1069 (2008); DOI: 10.1126/science.1148726
http://www.sciencemag.org/cgi/content/full/sci;319/5866/1053#ref4 
http://www.clean.cise.columbia.edu//process/spintheory.pdf 
http://en.wikipedia.org/wiki/Spin_coating 
http://en.wikipedia.org/wiki/Sonication 
http://en.wikipedia.org/wiki/Cell_disruption 
http://rsta.royalsocietypublishing.org/content/367/1893/1587.full 
http://www.nanowerk.com/spotlight/spotid=2131.php