Aanvankelijk was het de taak van de promovendus aan de Universiteit Twente om te kijken hoe snel een glad oppervlak op kleine schaal slijt als je erover wrijft. “We hebben het over nanometers (miljoenste millimeters). Op die schaal blijven oppervlakken als gelijmd aan elkaar plakken, alleen al door elkaar aan te raken”, legt de van oorsprong Roemeense onderzoeker uit.
Omdat onderzoekers al jaren werken aan het bouwen van minuscule machines met bewegende onderdelen, is het belangrijk om deze wrijving en de resulterende slijtage goed te begrijpen. “Dan kun je misschien ook iets zinnigs zeggen over hoe lang zulke machines blijven werken”, zegt Deladi. Een heel vakgebied, nanotribologie genaamd, houdt zich inmiddels met deze micro- en nanowrijving bezig.
Het promotieonderzoek van Szabolcs Deladi is gefinancierd binnen het Open Technologieprogramma van STW. Foto: Ivar Pel
Scherpe waarneming
Zo is het mogelijk om deze wrijving te meten met de naald van een AFM of Atomic Force Microscope. De AFM is het apparaat, uitgevonden in de jaren tachtig, dat het hele vakgebied van nanotechnologie mogelijk maakte. Hoofdonderdeel is een zeer kleine, scherpe naald die, zeer precies aangestuurd, over oppervlakken kan bewegen en heel precies de extreem kleine verhogingen daarin aftast, als een minuscule pick-upnaald.
Onderzoekers ontdekten dat ze, door de naald wat harder op het oppervlak te drukken, het onderliggende oppervlak konden beschadigen, wat wel een beetje leek op wrijvingsslijtage. Bij een tweede passage van de AFM-naald kan de beschadiging vervolgens opgemeten worden. Deze techniek heeft twee nadelen: ook de naald zelf kan beschadigd worden, en de aangebrachte schade leek meer op een kras dan op wrijvingsschade van twee over elkaar schuivende oppervlakken.
Schuren en meten
“Ons idee was om een dubbele tip te maken waarin het wrijven en het meten gescheiden waren”, legt Deladi uit. Eén deel van de tip moest met een plat vlakje over het oppervlak schuren, terwijl een deel met een dunne AFM-tip de schade vervolgens opnam.
Het ontwerp waar Deladi uiteindelijk op uitkwam, bestaat uit twee driekhoekige houders die in elkaar passen. De buitenste tip heeft aan het uiteinde een klein vierkant oppervlak om schade aan te brengen, de binnenste een AFM-naald om de aangebrachte schade te kunnen meten. De hele constructie meet ongeveer 0,3 millimeter.
Schematische weergave en foto van de AFM-naald.
De wrijvingsmeter maakte Deladi door selectief materiaal weg te etsen uit een silicium wafer, van het soort dat normaal gebruikt wordt om computerchips te maken. “Ik heb in één ding heel veel geluk gehad”, zegt Deladi, “alle dingen die ik gemaakt heb lukten in één keer.”
En ook het idee zelf werkte, liet Deladi zien: de schade die de ene helft van de tip aanbracht, liet zich met de andere helft van de tip goed in kaart brengen. “Toen bedachten we dat het ook handig zou zijn als je vloeistoffen op het oppervlak kunt aanbrengen. Dan kun je het effect daarvan op wrijving meten.” Een veel onderzochte toepassing van micro- en nanotechnologie is bijvoorbeeld het idee van een ‘lab-on-a-chip’, waarbij de chip een geminiaturiseerde chemische fabriek wordt, met kanalen, pompen en kranen voor transport en reacties van vloeibare chemicaliën.
Deladi maakte in een volgende versie van de naald kleine kanaaltjes, die zich vullen met vloeistof, die bij de naald naar buiten vloeit. “Het lijkt eigenlijk precies op een vulpen, en zo hebben we het ook genoemd”, zegt Deladi. De microvulpen werkte voor de gewenste tribologiemetingen. Maar, zoals de naam al suggereert, kun je er ook mee schrijven. Door de tip te bewegen en er tegelijkertijd vloeistof uit te laten lopen, zijn er op het oppervlak patronen op micrometerschaal aan te brengen.
Chips beschrijven
“Je zou de microvulpen kunnen gebruiken voor het aanbrengen van patronen van geleidend materiaal op computerchips”, suggereert Deladi. Meestal worden computerchips geproduceerd met hulp van fotolithografie, waarin de benodigde complexe patronen optisch aangebracht worden, en later met chemische methoden geëtst. Maar het maken van het benodigde optische masker is een hoge investering, die zich alleen bij massaproductie van chips terugverdient. “De microvulpen is langzamer, maar ook veel goedkoper”, zegt Deladi, die verwacht dat zo’n techniek nuttig kan zijn voor kleinschalig geproduceerde prototypes van chips. Aan de Universiteit Twente wordt inmiddels verder gewerkt aan deze techniek, waarvoor ook belangstelling is van een spinoff-bedrijf van de universiteit.
Een futuristischer toepassing is het lokaal toedienen van biologisch actieve stoffen aan levende cellen, die veel groter zijn dan de naald van de vulpen zelf. “Idealiter zou je met de tip dan ook moeten kunnen voelen, of kunnen aftasten, wat de reactie van de cel is”, zegt Deladi.
Ambitie
Deladi zelf heeft inmiddels het microvulpenonderzoek verlaten, om na een postdocperiode bij de Universiteit Twente aan het werk te gaan bij een biomedisch-optische onderzoeksgroep van Philips. “Ik vond het stimulerend, maar het was ook heel hard werken; ik voelde continu de druk om te presteren, om daarna een goede baan te kunnen krijgen”, zegt Deladi over zijn promotieperiode. In Roemenië was Deladi universitair docent aeronautica. “Maar de mogelijkheden om daar echt onderzoek te doen zijn daar veel minder groot, en dat was toch echt wat ik wilde”, zegt hij, “dus ik ben heel blij dat ik deze kans kreeg.”
De artikelen in de brochure Technologisch Toptalent 2006 werden geschreven door wetenschapsjournalist Bruno van Wayenburg.