De onderzoekers van het MESA+ Instituut voor Nanotechnologie van de Universiteit Twente (UT) hebben het weer eens bewezen: materialen gedragen zich op de schaal van nanometers compleet anders dan ‘in het groot’. Het is het handelsmerk van de nanotechnologie. Vaak wordt goud als bekendste voorbeeld aangehaald, dat normaal vrijwel nergens mee reageert maar in ‘nanovorm’ zeer reactief is. De UT-onderzoekers tonen echter aan dat ook lood op de nanoschaal verrassend gedrag vertoont.

Pannenkoeken

We hebben het hier over de tak van sport in de nanotechnologie waarbij hele dunne laagjes materialen (slechts tientallen atoomlagen dik), zogenaamde films, op een oppervlak van een ander materiaal aangebracht wordt, het zogeheten substraat. In het UT-onderzoek gaat het om een laagje lood op een nikkeloppervlak. “De combinatie van lood en nikkel is uniek”, zegt Bene Poelsema, leider van het onderzoeksteam. “Normaal bedekt de film het hele substraat, maar hier wordt het nikkel maar gedeeltelijk door het lood bedekt. De loodatomen hopen op in een soort ‘platte pannenkoeken’.”

Kijk wat er met de pannenkoeken gebeurt. De witte pijl wijst telkens naar hetzelfde stukje.

Universiteit Twente / B. Poelsma

Universiteit Twente / B. Poelsma

Toen de onderzoekers de temperatuur geleidelijk verhoogden, gebeurde er bij 526 Kelvin (253 graden Celsius) iets vreemds. Op de plaatjes van hun elektronenmicroscoop leken de loodatomen plots te verdwijnen. Maar niet helemaal: van een platte pannenkoek hadden de loodatomen zich bliksemsnel omgevormd tot zeer compacte halve bolletjes (paar honderd nanometer hoog). Extra bijzonder is dat dit alles gebeurt ónder de smelttemperatuur van lood. Dus het lood is hier – als pannenkoek of als bolletjes – voortdurend in vaste vorm.

Bekijk hoe bij het verhogen van de temperatuur de loodatomen overgaan naar compacte bolletjes.

Verrassende snelheid

De transformatie op zich was geen verrassing voor de onderzoekers, vertelt Poelsema. “De pannenkoek heeft een groot grensvlak met het nikkel, en dat kost veel energie. Bij een hogere temperatuur is de bol een veel stabielere vorm, en is daarmee energetisch veel gunstiger. Dat de atomen zich zouden herschikken in een andere vorm als we de temperatuur verhogen, hadden we daarom wel verwacht. Het was vooral de snelheid waarmee het gebeurde die ons verraste.”

Het bleek dat de snelheid waarmee atomen zich van de buitenkant van de pannenkoek naar binnen bewogen om een bolletje te vormen, hoger is dan de snelheid die de atomen normaal hebben in lood. De onderzoekers kunnen dit gedrag vooralsnog niet verklaren. “Het kan niet komen door individuele atomen”, denkt Poelsema. “We vermoeden een collectieve verplaatsing van atomen, een soort groepsproces.”

De hoogte van de bolletjes moesten de onderzoekers uitrekenen, want de microscoop maakte alleen tweedimensionale plaatjes (zie rechts).

Universiteit Twente / B. Poelsma

Roep om theorie

Volgens Poelsema mist de theoretische basis voor de beschrijving van groepen atomen met deze afmetingen. “Het zit eigenlijk tussen de theorie van individuele atomen en die van hele grote hoeveelheden atomen in”, zegt Poelsema. “Van groepen atomen met deze aantallen weten we nog te weinig. Wij zijn experimentele onderzoekers, dus we hopen dat er theoretische mensen zijn die zich hierin willen verdiepen.”

Poelsema en zijn team zullen doen wat ze kunnen. “We willen de dynamiek van het proces begrijpen. De transformatie gaat te snel voor onze microscoop om het in beeld te vangen. Met een verbeterde detector hopen we net een plaatje te maken tijdens de transformatie.” De inzichten die dit oplevert hebben geen directe toepassing, maar zijn vooral van fundamenteel belang. Toch is het goed om te weten – voor nanotechnologen die met zulke minuscule vormen werken – dat zulk onverwacht gedrag op de loer ligt.