De kleinste bouwwerken

Sommige wetenschappers dromen al van robotjes, die zo klein zijn dat je ze alleen onder de microscoop kunt bekijken. De pootjes worden voortbewogen door nauwelijks zichtbare motortjes, een klein grijpertje kan miniatuurreparaties uitvoeren, bijvoorbeeld binnenin een computer of in de bloedvaten van een hartpatiënt.

Science fiction of binnenkort realiteit? Voorlopig werken natuurkundigen aan minder futuristische apparaten. Bijvoorbeeld een laser die op een chip past of een uiterst klein computergeheugen. Vooral interessant zijn de mogelijkheden om verschillende kleine onderdelen samen te voegen op één siliciumchip. Dat maakt het mogelijk om computerkracht te combineren met de elektronica van bijvoorbeeld een uurwerk, een microfoon of een sensor. Het microfoongeluid kan op dezelfde chip worden versterkt en gecorrigeerd. Een meetinstrument dat op een computerchip zit, kan zelf een luchtmonster analyseren en alarm slaan als er giftige gassen worden geconstateerd. Met een laser op een chip kun je gemakkelijker gebruik maken van glasvezels. Dat soort kleine bouwwerken zijn direct bruikbaar.

Atomen stapelen

Ondertussen wordt er in laboratoria verder gewerkt. Onderzoekers kunnen nu zelfs bouwen met afzonderlijke atomen. Het is al gelukt om atomen één voor één op te pakken, om zo een kleine constructie te maken. Daarvoor wordt een bijzonder pincet gebruikt, de scanning tunneling microscoop (STM), waarmee één atoom opgepakt kan worden.

‘Ook wij kunnen daarmee uiterst kleine bouwwerken maken,’ legt Jan van Ruitenbeek uit, hoogleraar aan de Universiteit Leiden. Als je atomen stuk voor stuk kunt neerleggen, kun je alerlei figuren maken. ‘Sommige bedrijven maken op die manier hun bedrijfslogo na. Wie weet kun je zo op die uiterst kleine schaal ooit elektronica maken.’ Zelf denkt Van Ruitenbeek dat daarvoor nog veel onderzoek nodig is. ‘De atomaire bouwwerken zijn namelijk niet stabiel. Atomen zijn altijd wat beweeglijk, waardoor ze van hun plaats weggaan. Je moet dit soort bouwwerken daarom altijd bij uiterst lage temperaturen bewaren. Dan bewegen ze minder.’ Van Ruitenbeek werkt bij 270 graden Celsius onder nul, de temperatuur van vloeibaar helium.

Van Ruitenbeek ziet nog een ander praktisch probleem. Het is lastig om grotere atomaire bouwwerken te maken, bijvoorbeeld van een millimeter groot. ‘Je moet dan miljarden en miljarden atomen één voor één opstapelen. Dat duurt eeuwen.’

Er zijn dus twee complicaties bij het maken van miniatuurbouwwerkjes, de beweeglijkheid van atomen en het grote aantal dat nodig is. Er zijn verschillende ideeën om deze problemen te verhelpen. Niet alleen de lage temperaturen van Van Ruitenbeek helpen om de bewegingen te bevriezen. Je kunt de atomen ook ketenen door ze te koppelen aan andere atomen in een sterke chemische binding. Er zijn enkele bijzonder sterke chemische bindingen, die daarvoor geschikt zijn.

Aan een gouden draadje

Er zijn nog veel moeilijkheden te overwinnen. Toch is het heel nuttig om de allerkleinste bouwwerken te onderzoeken, vindt Van Ruitenbeek. Zijn groep trok in 1998 internationaal de aandacht met de productie van een minuscule gouddraad, met een dikte van één atoom en een lengte van zeven atomen. Het is de allerkleinste gouden ketting. De onderzoeksgroep bestudeert hoe zo’n draadje de elektriciteit geleidt. Dat biedt belangrijk vergelijkingsmateriaal voor de praktijk van de micro-elektronica. In chips worden draadjes gebruikt met een dikte van 500 atomen. ‘Die draadjes worden steeds dunner. Als je weet hoe een draadje van één atoom de elektriciteit geleidt, kun je beter uitrekenen waar het heen gaat bij een verdere verkleining. De meest extreme situatie ken je dan al,’ aldus Van Ruitenbeek.

Van Ruitenbeek gebruikt een slimme truc voor het aaneenrijgen van de goudatomen tot een draad. De fabricagemethode is eigenlijk per toeval ontstaan, toen zijn groep bezig was om elektrische contacten te maken van precies één atoom groot. Die contacten ontstaan door twee stukken metaal tegen elkaar te houden. De oppervlaktes zijn wat rafelig, zodat er altijd wat atomen uitsteken en contact maken. ‘Als je de twee stukken metaal heel geleidelijk uit elkaar trekt, maken er steeds minder atomen contact. Uiteindelijk hou je er één over.’ Bij het uiteentrekken van twee stripjes goud, merkte hij dat er als het ware atomen uit het metaal werden getrokken, zo sterk zijn de onderlinge krachten tussen de goudatomen.

De atoomcontacten en atoomdraden zijn ook interessant om het inzicht in geleidingsverschijnselen te vergroten, benadrukt Van Ruitenbeek. ‘Er kan een onvoorstelbaar grote stroom lopen door zo’n atomaire draad. Als je dat zou vertalen naar een gewoon elektriciteitssnoer, zou dat bijna een half miljard ampère zijn. Het is interessant om te zien hoe de materie zich houdt onder die extreme omstandigheden. Ook kun je met die metingen een beter inzicht krijgen in het verband tussen de geleiding en de chemische eigenschappen van een stof,’ aldus Van Ruitenbeek. De afmetingen zijn zo klein, dat de effecten van afzonderlijke elektronen merkbaar zijn. Die elektronen zijn niet alleen bepalend voor de geleiding, maar ook voor het chemische gedrag.

Grotere bouwsels

Proberen constructies voor superkleine elektronische schakelingen per atoom op te bouwen, is één aanpak. Waarom leren we niet van de natuur, die al elektrisch geleidende moleculen maakt? In Nederland timmert de onderzoekgroep van professor Cees Dekker aan de Technische Universiteit Delft op dit terrein stevig aan de weg. Deze groep bestudeert de elektrische eigenschappen van minuscule buisjes van koolstof, zogeheten nanobuizen. Elk buisje is effectief een molecuul. De buisjes blijken stroom te geleiden en te veranderen in een diode als je ze knikt en in een transistor als je ze dubbel knikt. Het maken van de buisjes gebeurt nog door maar wat te doen. Dat levert een wirwar aan buisjes op, waaruit de onderzoekers exemplaren zoeken die voor hun experiment geschikt zijn.

Dekker en zijn groep gebruiken de buisjes dan ook vooral omdat het zulke mooie modelsystemen zijn, die leren hoe je moleculaire schakelingen zou moeten maken. Het netjes fabriceren komt in de toekomst wel. Een nieuwe stap zette de Delftse groep in 2001 door voor het eerst logische schakelingen met nanobuisjes te maken. In verschillende combinaties van buisjes, elektroden en aangelegde elektrische spanningen wisten de onderzoekers verschillende soorten logische bewerkingen uit te voeren.

Met hun schakelingen laten de Delftse onderzoekers vervolgens zien dat ze diverse soorten logische bewerkingen kunnen uitvoeren. Zo hebben ze met één nanobuis een zogeheten inverter gemaakt. Die zet een 0 in een 1 om en omgekeerd. Met twee evenwijdige nanobuizen maken ze een zogeheten NOR-poort. Elke andere variant (AND, OR, NAND, XOR etc.) is dan ook mogelijk. Met twee inverters hebben ze een zogeheten SRAM (static random access memory) gemaakt, een eenvoudige flipflop geheugencel. Drie inverters in een ring maken een zogeheten ring-oscillator. Het toonaangevende Amerikaanse wetenschappelijke weekblad Science riep eind 2001 dit soort onderzoek aan nanobuizen, inclusief dat in de groep van Dekker, uit tot wetenschappelijke uitvinding van het jaar.