Je leest:

Het kan altijd kleiner

Het kan altijd kleiner

Auteur: | 26 januari 2009

Jarenlang dachten wetenschappers dat schrijven met losse atomen de allerkleinste manier was om letters te schrijven. Nu tonen onderzoekers van de Stanford Universiteit aan dat het nog kleiner kan. Ze ‘schrijven’ de letters met zogeheten elektronenwolken die om atomen heen hangen. Deze letters projecteren ze als hologrammen uit de losse atomen.

Hoe klein kan je schrijven? Met een smalle pen lukt het om letters te maken die misschien een paar millimeter breed zijn. Maar dan is je pen niet scherp genoeg meer. Stel je voor dat je beschikt over een nog scherpere pen en een microscoop om te zien wat je schrijft. Misschien kan je dan letters schrijven die duizend keer kleiner zijn. Slechts een paar micrometer dik. Maar dan wordt je inkt te dik en vloeien de lijntjes samen. Hoe kan het nog kleiner?

Misschien besluit je wel om een piepkleine pincet te pakken en losse atomen zo neer te leggen dat ze letters vormen. Gefeliciteerd! Je hebt een historisch experiment van IBM uit 1990 nagedaan. Schrijven met losse atomen werd sinds dat experiment gezien als de kleinste manier om te schrijven. Maar de eigenwijze wetenschappers van de Stanford Universiteit gingen nog kleiner. Zij leerden schrijven met elektronen.

In 1990 spelden onderzoekers van IBM de letters van hun bedrijf met losse xenon atomen op een ondergrond van nikkel. De letters waren slechts 5 nanometer groot. Iedereen dacht dat dit het kleinste was dat je kon schrijven. Als je de atomen dichter bij elkaar legt, reageren ze immers op elkaar en valt je tekst uit elkaar. Toch hebben Amerikaanse wetenschappers deze grens doorbroken door nog een stapje kleiner te gaan, naar de elektronen.

Kaatsende elektronen

Om te schrijven met elektronen moesten de onderzoekers eerst een manier bedenken om ze op de goede plek te krijgen. Elektronen zijn duizenden keren kleiner dan atomen en kunnen bijna even snel bewegen als het licht. Ze zijn dus niet op hun plaats te houden, zoals de xenon atomen in het IBM experiment. Daarom gebruiken de onderzoekers geen losse elektronen, maar elektronenwolken.

Het werkt als volgt: leg een verzameling koolmonoxide (CO) moleculen met speciale instrumenten bij elkaar in een cirkel. Stuur dan een straal elektronen van onder door het oppervlak. Sommige elektronen botsen tegen de CO moleculen, en kaatsen naar de leegte in het midden van de cirkel CO moleculen. Als je de CO moleculen goed neerlegt vormen de kaatsende elektronen in het midden een herkenbaar patroon, zoals de letter S. Dit patroon kan je zien met een speciale microscoop: de scanning tunneling microscoop (STM).

De letter S, gemaakt met elektronenwolken. De rode puntjes op het linkerplaatje zijn CO moleculen. Het rechterplaatje is een beeld van het gestreepte hokje, gezien door een scanning tunneling microscoop (STM). De STM ‘ziet’ dikke elektronenwolken. De CO moleculen zijn zo gerangschikt, dat de elektronenwolken samen de letter S vormen. Bron: Nature Nanotechnology.

De S in het plaatje hierboven past op een oppervlak van 0,4 vierkante nanometer. Dat is ongeveer half zo groot als de letter I van IBM in het eerste plaatje. Deze letter I bestaat uit negen losse xenon atomen. Hiermee hebben de wetenschappers van Stanford het record kleinschrijven verbroken. Maar het kan nog gekker.

Een STM kan op verschillende ‘dieptes’, of voltages, kijken. Het patroon van de elektronenwolken projecteert uit het oppervlak naar boven. Net als een hologram. De onderzoekers rangschikten de CO moleculen zo, dat de STM op één voltage de letter S zag, maar op een ander voltage (een andere diepte dus) de letter U. Met dit trucje kunnen ze nog eens twee keer zoveel informatie op een oppervlak kwijt. Zie het als een boek waarop elke bladzijde twee keer is beschreven. Door op een andere manier naar de bladzijde te kijken, verschijnt ineens een hele nieuwe tekst.

Rangschik een verzameling CO moleculen op een slimme manier, en er verschijnen twee letters als een hologram uit dezelfde elektronenwolk. Hier zijn dat de S en de U. De tweede letter verschijnt door de STM op een andere ‘diepte’, of voltage, in te stellen. Bron: Nature Nanotechnology. Klik op de afbeelding voor een grotere versie.

Mijlpaal

Gaan we met deze technologie nu bibliotheken krijgen die in een handtasje passen? Niet bepaald. De onderzoekers zeggen zelf: “Het is niet onze bedoeling om hiermee op grote schaal geheugens te bouwen die met een STM kunnen worden uitgelezen, omdat dat gewoon niet praktisch is.” Daar kunnen ze wel eens gelijk in hebben. Eén bezwaar tegen dit soort minibibliotheken is bijvoorbeeld dat ze op een temperatuur van vier Kelvin (min 269 graden Celsius) bewaard en gelezen moeten worden. Vier graden boven het absolute nulpunt.

Soms is wetenschap niks anders dan records breken. Vooral als het om nanotechnologie gaat. En dat is de mannen van Stanford hier gelukt. Het record uit 1990 van IBM ging de geschiedenis in als een enorme mijlpaal in de nanotechnologie, omdat we nog nooit zó klein waren gegaan. Door te schrijven met losse atomen, kan je met diezelfde atomen in theorie ook piepkleine machientjes bouwen. De tijd zal het leren waar dit nieuwe onderzoek uit Stanford allemaal toe zal leiden.

Dit artikel is een publicatie van NEMO Kennislink.
© NEMO Kennislink, sommige rechten voorbehouden
Dit artikel publiceerde NEMO Kennislink op 26 januari 2009

Discussieer mee

0

Vragen, opmerkingen of bijdragen over dit artikel of het onderwerp? Neem deel aan de discussie.

NEMO Kennislink nieuwsbrief
Ontvang elke week onze nieuwsbrief met het laatste nieuws uit de wetenschap.