Norsk veikart for forskningsinfrastruktur

Nanoteknologi og avanserte materialer

Nanoteknologi omfatter studier av fenomener som skjer på nanoskalaen og hvordan vi kan kontrollere og manipulere disse fenomenene. Teknologien kan dermed bidra til nyvinninger innenfor de fleste samfunnsområder. Ved siden av nanovitenskap og nanoteknologi dekker dette området også mikroteknologi og avanserte materialer.

Forskningsmål

Forskningsinnsatsen innenfor nanoteknologi, mikroteknologi og avanserte materialer er et prioritert område i Langtidsplan for forskning og høyere utdanning 2019–2028 (Meld. St. 4 (2018–2019)) som del av muliggjørende og industrielle teknologier. Ifølge nasjonal FoU-strategi for nanoteknologi, skal satsingen gi vesentlig bidrag til norsk næringsutvikling og være samfunnsnyttig. Nanoteknologi, mikroteknologi og avanserte materialer skal bidra til økt konkurransekraft innenfor temaer som energi og miljø, hav, mat og helse samtidig som man skal unngå å skape uønskede effekter på helse, miljø og samfunn.

Forskningsinfrastruktur er helt avgjørende for forskning på området. Behovene spenner bredt fra renromslaboratorier til en stor variasjon i utstyr for avansert produksjon og karakterisering av materialer, systemer og integrasjon av disse.

Forskningsrådets har i lang tid hatt en målrettet satsing på nanoteknologi, mikroteknologi og avanserte materialer. Dette dekkes av porteføljestyret for Muliggjørende teknologier. I tillegg finansierer vi forskning der disse teknologiene kommer til anvendelse til ulike formål. Dette gjelder blant annet under porteføljestyret for Energi, transport og lavutslipp, porteføljestyret for Industri og tjenestenæringer og porteføljestyret for Naturvitenskap og teknologi.

Eksisterende forskningsinfrastruktur

Nasjonalt finnes flere laboratorier med ulik grad av spesialisering både på instrumentering og anvendelsesområder. Flere av laboratoriene er komplementære og tilbyr tilgang til brukere både fra akademia og industri.

NorFab er en nasjonal infrastruktur som omfatter renrom, inkludert instrumentering, knyttet til fremstilling og karakterisering på nano- og mikroteknologi. NorFab består av tre noder: NTNU NanoLab i Trondheim, SINTEF MiNaLab / Universitetet i Oslo MiNaLab og Universitetet i Sørøst-Norges MST-Lab i Horten. Nodene har inngått et forpliktende samarbeid og dekker anvendelser av nanoteknologi, mikroteknologi og avanserte materialer i meget stor faglig bredde og gir tilgang til "state-of-the-art" laboratorier for brukere både fra UHI-sektoren og fra næringslivet.

Universitetet i Bergen har et lokalt renrom og laboratorium for nanostrukturering. Her finnes instrumentering for ulike anvendelser, blant annet nano-biologi-systemer. I tillegg finnes laboratorier for nano-, material- og overflatekarakterisering ved SINTEF, inkludert en nasjonal plattform for overflatekarakterisering (blant annet XPS og SIMS) og NMR.

NORTEM er et nasjonalt senter for transmisjonselektronmikroskopi (TEM). Senteret er et samarbeid mellom SINTEF, NTNU og Universitetet i Oslo og har to noder (i Trondheim og Oslo) med en høyoppløselig TEM på hvert sted i tillegg til andre mikroskoper. Nodene er komplementære med hensyn til tilgjengelige teknikker. NORTEM har stor betydning for flere sentre for forskningsdrevet innovasjon, blant annet SFI Metal Production og CASA – Centre for Advanced Structural Analysis.

RECX er nasjonal plattform for røntgendiffraksjon, -spredning og -avbildning ved Universitetet i Oslo og NTNU. Denne plattformen bidrar til videreutvikling av norsk kompetanse på avanserte røntgenteknikker og anvendelser av både synkrotron- og nøytronanlegg.

Noen laboratorier med høy relevans for nanoteknologi, mikroteknologi og avanserte materialer har samtidig sterk faglig profil mot konkrete anvendelser. Dette gjelder infrastrukturen NSST – Norwegian Laboratory for Silicon-based Solar Cell for silisiumbasert solcelleteknologi, som dekker verdikjeden fra grunnleggende forskning til ferdig produksjon av solceller. Gjennom Forskningssentrene for miljøvennlig energi (FME-ene) på solenergi er det etablert et godt samarbeid og en god arbeidsdeling mellom forskningsaktørene på området. MiMaC, en nasjonal infrastruktur for karakterisering av strukturer og kjemiske egenskaper hos mineraler, metaller og avanserte nanomaterialer, har stor betydning for mineral- og metallindustrien i Norge.

Noen infrastrukturer krever internasjonalt samarbeid for etablering og drift. Synkrotron- og nøytronanlegg er eksempler på dette. NcNeutron er et norsk senter for nøytronbasert forskning. Etter at forskningsreaktoren JEEP II på IFE ble nedlagt i 2019, vurderes det nå om aktivitet og utstyr kan flyttes til en utenlandsk installasjon for at NcNeutron skal kunne tilby norske brukere det som var planlagt for JEEP II. NcNeutron opprettholder samarbeidet med ESFRI-prosjektet European Spallation Source (ESS) og skal fortsatt bidra til å bygge kompetanse i norske fagmiljøer innenfor nøytronforskning og til bedre utnyttelse av ESS. Sveitsisk-norsk strålelinje (SNBL) ved European Synchrotron Radiation Facility (ESRF) i Grenoble er synkrotronanlegg for avansert nanoteknologi- og materialforskning. Norge har tilgang til strålelinjen gjennom sitt medlemskap i ESRF.

Behov for nyetablering, oppgradering og/eller samordning

Det er behov for langsiktig, kontinuerlig oppgradering og fornyelse av eksisterende forskningsinfrastrukturer, i tillegg til at nyinvesteringer, er viktig på grunn av teknologisk utvikling og mulighet for å ta opp nye forskningsområder.

Investeringer i infrastruktur er avgjørende for at norske forskningsmiljøer kan hevde seg og være med i det internasjonale forskningssamarbeidet og samtidig kunne tilby relevante laboratoriefasiliteter for norsk industri. Ressurshensyn tilsier et begrenset antall store og avanserte "state-of-the-art" nanolaboratorier i Norge. NorFab og NORTEM er gode eksempler på kostbar infrastruktur som er blitt realisert fordi sentrale institusjoner har forpliktet seg til langsiktig samarbeid om etablering og drift. Store nyinvesteringer vil i større grad kreve koordinering av prioriteringer nasjonalt også på tvers av faggrenser. I andre land har man for eksempel sett denne type koordinering og samarbeid innenfor avansert elektron-mikroskopi hvor livsvitenskap og materialforskning knyttes tettere sammen via investeringer innenfor CryoEM og big data.

Kun NorFab kan per 2020 ivareta en fullstendig verdikjede fra grunnleggende fremstilling av spesifikke materialer fram til produksjon av prototyper innenfor dette teknologiområdet. Økt utnyttelse av forskningsresultater, blant annet ved å føre disse fram til verifikasjon og demonstrasjon i anvendelser, vil være av stor betydning for samfunnet, "grønt skifte" og øke effekten av offentlig investering i forskning for framtidig innovasjon og verdiskaping. Nye investeringer kan være aktuelt innenfor en rekke områder som mikro- og nanoteknologi med søkelys på mikroelektronikksystemer, elektroniske byggemetoder inkludert pakketeknologi og systemintegrasjon inkludert teknologi for ultralyd, hvor Norge har verdensledende industri. Andre felt er mikrofluidikk og studier av nano- og mikronskala strømninger i systemer eller investeringer mot konkrete materialområder som for eksempel piezomaterialer, nanocellulose, materialer for kvanteteknologi, overflater med skreddersydde egenskaper, nanosafety og metoder/prosesser for fremstilling av nanomaterialer. Behovene for investeringer er store, og det blir i økende grad viktig å ha prosesser for prioriteringer som sikrer at nye investeringer møter behov på tvers av institusjonelle og faglige grenser på gode måter.

Nedstenging av nasjonale og regionale nøytronkilder, som JEEP II kan skape et behov for å bygge opp nasjonale/nordiske nøytronanlegg i tillegg til ESS. ESS vil ha begrenset kapasitet og typisk kreve at det gjøres testeksperimenter ved andre mindre nøytronanlegg før man får tilgang.

Nasjonal utnyttelse av, og tilgang til, internasjonal infrastruktur
Enkelte norske synkrotronbrukere får dekket behovet for tilgang til synkrotronstråling ved ESRF og SNBL. SNBL kan etter oppgradering tilby studier som åpner for eksperimenter ved de mest avanserte strålelinjene ved ESRF. Mange andre grupper og fagområder har behov for tilgang til synkrotronanlegg og fri elektronlasere (X-FEL) som tilbyr komplementære og til dels konkurrerende vitenskapelige fasiliteter sammenliknet med det som er tilgjengelig ved ESRF. Norske miljøer har derfor interesser knyttet til det nye synkrotronanlegget, MAX-IV, som er etablert i Sverige.

Norge deltar i byggingen av verdens største "nøytronmikroskop", European Spallation Source (ESS), i Lund i Sverige. Nøytronspredning er en komplementær teknikk til synkrotronstråling. De første nøytronene forventes produsert i 2022, og full drift er planlagt i løpet av 2025. NcNeutron utvikler sin strategi i dialog med Forskningsrådet for å fortsatt ivareta samarbeid med ESS og styrke de norske forskningsmiljøenes kompetanse på bruk av nøytronstråling.

Relasjon med andre områder

Nanoteknologi, mikroteknologi og avanserte materialer dekker et bredt spekter av anvendelser, eksempelvis innenfor miljøvennlig energi, klima og miljø, bioressurser og livsvitenskap og helse. Dette betyr at andre infrastrukturer med mer spesifikt søkelys også kan være relevante for dette teknologiområdet. Eksempler er satsinger på batteriteknologi, brenselceller, lavutslipps hus og avanserte produksjonsprosesser.

NorLHC er et pågående infrastrukturprosjekt med investeringer i sensor-, trigger- og beregnings-systemer for oppgradering av detektorene i ATLAS- og ALICE-eksperimentene ved CERN til bruk i High Luminosity LHC (Large Hydron Collider). Tilgang på teknologikompetanse gjennom CERN gir også stort potensial for nasjonal næringsutvikling innenfor for eksempel medisinsk instrumentering.

Forskningsinfrastrukturer knyttet til Nanoteknologi og avanserte materialer

Prosjekt

Status

MiMaC – Norwegian Laboratory for Mineral and Materials Characterisation

Under etablering/i drift

NcNeutron – Norwegian Center for Neutron Research

Under etablering/i drift

NorFab – Norwegian Micro- and Nanofabrication Facilities

Under etablering/i drift

NORTEM – The Norwegian Centre for Transmission Electron Microscopy*

Ferdig finansiert /i drift

Øvrige forskningsinfrastrukturer på veikartet av relevans for Nanoteknologi og avanserte materialer

Prosjekt

Status

E-INFRA ved UNINETT Sigma 2 – a national e-Infrastrucure for science

Under etablering/i drift

ESS-Lund – European Spallation Source

ESFRI Landmark

NSST – Norwegian laboratory for silicon-based solar cell technology

Under etablering/i drift

* Infrastrukturer der finansiering fra Forskningsrådet er avsluttet, eller der finansieringsperioden etter planen skulle vært avsluttet i 2019, har ikke en egen prosjektbeskrivelse i veikartet. Her er det i stedet en referanse til infrastrukturens nettsider eller Forskningsrådets prosjektbank.