Stor pris for ørsmå bragder

Den ene forskeren har skrevet bokstaver med atomer. Den andre bygger fabrikker med arvestoff. Donald Eigler og Nadrian Seeman deler årets Kavlipris innen nanovitenskap, en ung vitenskap som blant annet kan gi oss kvantesprang i datakraft og målsøkende medisiner.

Publisert

Kavliprisen

Kavliprisen ble innstiftet av sivilingeniøren, forretningsmannen og investoren Fred Kavli, født i 1927 i Møre og Romsdal. Kavli emigrerte til USA via Canada i 1955, og startet i 1958 bedriften Kavlico Corporation i California, som vokste til en av verdens største produsenter av sensorer for fly- og bilindustrien. Han har også investert i eiendom i California.

I 2000 solgte han virksomheten og opprettet The Kavli Foundation, som har donert penger til forskningsinstitusjoner i blant annet USA, Norge og Nederland.

I 2008 ble Kavliprisene delt ut for første gang. De går til forskere innen fagfeltene astrofysikk, nevrovitenskap og nanovitenskap. Prisene på en million dollar deles ut av Det norske vitenskapsakademi hvert annet år i samarbeid med The Kavli Foundation og Utannings- og forskningsdepartementet.
 

Nanoteknologi

Nye teknikker for syntese og bearbeiding, herunder flytting av og bygging med atomer, molekyler eller makromolekyler.

På denne måten designes funksjonelle materialer, komponenter og systemer med attraktive egenskaper og funksjoner.

Skalaen er utenkelig liten - på atom og molekylnivå. Området 0,1 til 100 nanometer (nm) spiller en avgjørende rolle.

1 nanometer = 1 milliarddel av 1 meter = 10-9 meter = 0,000000001 meter.
 

I 1989 klarte forskeren Donald Eigler å flytte ett og ett atom av grunnstoffet Xenon bortover en flate av nikkel, slik at de dannet logoen til arbeidsgiveren hans: IBM.

Bokstavene IBM skrevet med 35 xenon-atomer i 1989. (Foto: Donald Eigler - Creative Commons Attribution-Share Alike 2.5 Generic)
Bokstavene IBM skrevet med 35 xenon-atomer i 1989. (Foto: Donald Eigler - Creative Commons Attribution-Share Alike 2.5 Generic)

- Eiglers bragd var virkeliggjøringen av visjonen til Richard Feynman, som regnes som nanoteknologiens far.

Dette forteller Arne Skjeltorp, avdelingssjef ved fysikkavdelingen på Institutt for energiteknikk, professor ved Universitetet i Oslo og leder av komitéen som valgte ut de to prisvinnerne.

- I 1959 holdt Feynman et foredrag der han forutså at vi vil bli i stand til å manipulere enkeltatomer og bygge stoffer nedenfra og opp, atom for atom, omtrent som når barn bygger med legoklosser. Eigler viste at dette var mulig, sier Skjeltorp.

Donald Eigler med hundene sine, Neon (t.v.) og Argon (t.h). Eigler er en ivrig hundetrener. (Foto: Jenny Almaden)
Donald Eigler med hundene sine, Neon (t.v.) og Argon (t.h). Eigler er en ivrig hundetrener. (Foto: Jenny Almaden)

Raskere og mindre datamaskiner

- Den nyeste forskningen til Eigler kan få betydning for datateknologi, forteller han videre. Dagens datamaskiner er krympet ned til en størrelse der flere problemer melder seg.

På den ene siden blir det vanskelig å lede vekk varmen fra de kompakte elektriske kretsene. På den andre siden blir kretsene så små at såkalte kvantemekaniske fenomener begynner å gjøre seg gjeldende.

I dagens datamaskiner fører slike kvantefenomener blant annet til at det lekker elektrisk strøm mellom ledningene i de integrerte kretsene.

Elektronbølger i ørliten dam

-Eigler har vendt denne svakheten til styrke. Han viser hvordan kvanteeffekter kan brukes til å overføre data uten bruk av elektrisk strøm, sier Skjeltorp.

Donald Eigler og kollegene hans har oppfunnet noe som kalles en kvanteinnhegning. Den består av jernatomer plassert i en runding på et underlag av kobber.

Denne elliptiske ringen av 36 koboltatomer er 5000 ganger mindre enn et menneskehår. Når et enkelt koboltatom plasseres i ett av ellipsens brennpunkter (rosa forhøyning til høyre), oppstår et tilsvarende bølgemønster i venstre brennpunkt, som et fantombilde. Dette kan brukes til å overføre digitale signaler. (Figur: IBM)
Denne elliptiske ringen av 36 koboltatomer er 5000 ganger mindre enn et menneskehår. Når et enkelt koboltatom plasseres i ett av ellipsens brennpunkter (rosa forhøyning til høyre), oppstår et tilsvarende bølgemønster i venstre brennpunkt, som et fantombilde. Dette kan brukes til å overføre digitale signaler. (Figur: IBM)

- Jeg var til stede da han en av de første gangene presenterte innhegningen på Stanford-universitetet i California tidlig på nittitallet. Det gikk et sus gjennom salen. Dette var stort, forteller Skjeltorp.

- Når vi ser på elektronene til kopperatomene inne i innhegningen i så liten skala, vil de også oppføre seg som bølger, sier han videre.

- Akkurat som det kan oppstå stående bølger i en liten dam når bakken rister, slik kan elektronbølgene danne spesielle mønstre i kvanteinnhegningen, forteller han.

- Hvis innhegningen har form som en avlang runding kalt en ellipse, kan et atom plassert et bestemt sted i denne ellipsen gi opphav til et tilsvarende bølgemønster et annet sted i ellipsen, et slags fantombilde. Med andre ord: Vi har overført informasjon, sier Skjeltorp.

Logikk med kullos

Eigler har ikke bare arbeidet med dataoverføring. Han har også vist hvordan atomer som er kjemisk bundet sammen i molekyler kan fungere som hjernen i en datamaskin – mikroprosessoren.

Arne Skjeltorp i atomreaktoren til Institutt for energiteknikk på Kjeller. Reaktoren blir blant annet brukt til å analysere nanomaterialer. (Foto: Arnfinn Christensen)
Arne Skjeltorp i atomreaktoren til Institutt for energiteknikk på Kjeller. Reaktoren blir blant annet brukt til å analysere nanomaterialer. (Foto: Arnfinn Christensen)

- Han har vist hvordan det går an å snu retningen til molekyler av karbonmonoksyd, bedre kjent som den giftige gassen kullos. Med slike snuoperasjoner på et underlag av kobber kan han imitere alle slags grunnleggende logiske operasjoner i en mikroprosessor, sier Skjeltorp.

Iskalde beregninger

Likevel er det fortsatt litt av et kvantesprang fra laboratoriene til hyllene i databutikken.

- Ett problem er at innhegningen først virker ved svært lave temperaturer, rundt det absolutte nullpunkt. Ved romtemperatur vibrerer alt voldsomt, og innhegningen bryter opp. IBM-bokstavene ville også vært i vill uorden, som småbåter på et opprørt hav, forteller Skjeltorp.

Likevel tror han at kvantedatamaskiner vil bidra til at datateknologien ikke stanger i kvantetaket, men fortsetter å følge Moores lov, som sier at datakraften dobles hver 18. måned.

Arvestoff som byggeklosser

Der Eigler bygger med enkeltatomer, har medprisvinner Nadrian Seeman fra New York University tatt i bruk livets egne byggesteiner, de fire nukleinsyrene i arvestoffet DNA. Men ikke for å lage liv.

Nadrian Seeman var opprinnelig krystallograf, og fant ut at fragmenter av arvestoffet DNA kunne brukes som byggeklosser for å forme strukturer i nanostørrelse. (Illustrasjon: Kenneth Eward)
Nadrian Seeman var opprinnelig krystallograf, og fant ut at fragmenter av arvestoffet DNA kunne brukes som byggeklosser for å forme strukturer i nanostørrelse. (Illustrasjon: Kenneth Eward)

- Seeman studerte opprinnelig krystaller, og var frustrert over hvor vanskelig det var å få molekyler til å krystallisere på en forutsigbar måte, forteller Skjeltorp.

- Tidlig på 1980-tallet fikk han idéen til å bruke DNA-molekyler, som i utgangspunktet er laget for å koble seg sammen i bestemte mønstre, fortsetter han.

Nadrian Seeman (Foto: Antony-22, Creative Commons Attribution-Share Alike 3.0 Unported)
Nadrian Seeman (Foto: Antony-22, Creative Commons Attribution-Share Alike 3.0 Unported)

Møysommelig kartla Seeman hvordan forskjellige korte biter av DNA kunne settes sammen for å bygge ulike mønstre, først i to dimensjoner og seinere i romlige, tredimensjonale figurer.

På den måten har forskere brukt metoden til Seeman for å lage alt fra enkle kuber og åttekanter til smilefjes og et kart over Nord-Amerika.

Pasienten svelger doktoren

I mai i år kom så meldingen om at Seeman og kollegene hans hadde klart å bruke DNA-biter til å lage en liten nano-fabrikk, komplett med ”transportbånd”,”lagerarbeidere” og ”oppsamlere” som tar imot det ferdige ”produktet”: små gullklumper.

- Disse resultatene viser at DNA ikke bare kan brukes til å lage statiske strukturer, men også bevegelige og programmerbare deler, sier Skjeltorp.

Han mener at ”arbeiderne” i ”nanofabrikken” er mer enn en imponator. De kan videreutvikles til roboter.

En molekylær nanorobot merket med grønt fargestoff går langs en sti over et DNA-underlag. Den beveger seg mot sitt rødmerkede mål ved å spalte stoffene i stien. Slik oppfører den seg som en selvstyrt, bevegelig robot på molekylskala. (Illustrasjon: Paul Michelotti)
En molekylær nanorobot merket med grønt fargestoff går langs en sti over et DNA-underlag. Den beveger seg mot sitt rødmerkede mål ved å spalte stoffene i stien. Slik oppfører den seg som en selvstyrt, bevegelig robot på molekylskala. (Illustrasjon: Paul Michelotti)

- Ett av Seemans mål er å lage små nanoroboter som kan sendes inn i blodstrømmen og oppsøke og nedkjempe blant annet kreftceller, forteller Skjeltorp.

- Også Mostafa A El-Sayed i priskomitéen har gjort banebrytende arbeid her. Han sender gullkuler i nanostørrelse rundt i blodet for å oppsøke kreftceller, og de stanser celledelingen innenfra, fortsetter han.

- Nanoteknologi kan gi ”intelligente medisiner” som gjør jobben sin i kroppen mer målrettet. Som konferansieren og skuespilleren Alan Alda sa på en populærvitenskapelig presentasjon: Pasienten svelger doktoren.

Fanebærer for grunnforskning

Skjeltorp har stor respekt for hvordan Fred Kavli oppmuntrer grunnforskning med bevilgninger og prisutdelinger fra The Kavli Foundation.

Fred Kavli. Foto: Terje Aamodt
Fred Kavli. Foto: Terje Aamodt

- I en artikkel i VG-nett fra den forrige prisutdelingen i 2008 sier han at Kavliprisene deles ut til forskere som har gjort store framskritt innen grunnforskning, forskning som gjøres for kunnskapens skyld, ikke for den praktiske nytten, sier han.

Med forskningsminister Tora Aasland ved sin side kritiserte han ikke Norge direkte, men sa likevel at Norge bør ha de beste fasilitetene og det beste utstyret til forskning. Norge har råd til det, som den kanskje rikeste nasjonen i verden, uttalte Kavli ifølge VG-nett.

I et videointervju med Alan Alda fra 2007 sier han også at de fleste store oppdagelser og framskritt gjennom tidene har kommet etter gjennombrudd innen fysikk, som også er Kavlis eget fag fra ungdomstiden ved Norges Tekniske Høyskole (NTH) i Trondheim.

- Fred Kavli tar tilbake grunnforskningen. Han har holdt denne fanen høyt ved mange anledninger, sier Arne Skjeltorp.

Lenker

Nettsidene til Kavliprisen
Nettsidene til The Kavli Foundation
Video-intervju med Fred Kavli av Alan Alda
Intevju med Fred Kavli på VG-nett (tekst og video)