Je leest:

Nano: de belofte voor de 21e eeuw

Nano: de belofte voor de 21e eeuw

Auteur: | 12 november 2003

Nanotechnologie bestaat niet! Of eigenlijk: nanotechnologie bestaat nog niet. Maar nanotechnologie wordt momenteel in diverse onderzoekslaboratoria voorbereid en wordt misschien wel dé technologie van de 21e eeuw. In zekere zin is het dus ‘science fiction’, maar de eraan ten grondslag liggende wetenschappelijke principes worden al druk verkend.

Wat is ‘nano’?

Het voorvoegsel ‘nano’ in het woord nanotechnologie slaat op de piepkleine schaal waarop de nanotechnologie zich richt, namelijk de schaal van één tot enkele nanometers. Een nanometer = 1 nm = 10-9m!. In vaste stoffen, zoals metalen en halfgeleiders, is de afstand tussen naburige atomen typisch één tot enkele tienden van nanometers (een tiende deel van een nanometer wordt ook wel een Ångström genoemd, dus 1 Å = 10-10 m). We zien dat een nanometer een lengte is waarop nog maar enkele atomen passen. Nanotechnologie is dan ook de technologie op de schaal van enkele atomen.

Waar is nanotechnologie voor nodig?

De nanotechnologie wordt door velen gezien als een natuurlijke consequentie van de voortschrijdende miniaturisering die met name in de moderne micro-elektronica plaatsvindt. De componenten van geïntegreerde schakelingen, bijvoorbeeld de afzonderlijke transistoren op een computerchip, worden gestaag kleiner. Het aantal transistoren en andere elementen die op een chip passen wordt daardoor steeds groter. Dat merk je bijvoorbeeld aan de toenemende rekenkracht van nieuwe generaties PC’s en aan de steeds groter wordende werkgeheugens van PC’s. Wonderlijk genoeg volgt die groei al sinds de jaren zestig van de vorige eeuw een heel eenvoudige ‘wet’, die al in 1965 werd opgesteld door de halfgeleiderfysicus Gordon Moore.

De wet van Moore is geen echte natuurkundige wet, maar wordt door de elektronica-industrie gehanteerd als een soort ‘afspraak’, de zogenaamde International Technology Roadmap for Semiconductors: ruwweg elk jaar verdubbelt het aantal schakelingen per vierkante centimeter. Delaatste tijd loopt de groei iets minder snel dan aanvankelijk, en duurt de verdubbeling gemiddeld circa anderhalf jaar. Om die groei mogelijk te maken, worden door verbetering van de productietechnieken de afmetingen van alle elektronische structuren voortdurend verkleind. De hier beschreven schaalverkleining is al meer dan 35 jaar aan de gang, sinds de begintijd van de chips. De afmetingen zijn dus sindsdien meer dan twaalf keer gehalveerd!

Figuur 1. De wet van Moore in de praktijk: de groei van het aantal transistoren in de PC-processoren van Intel. bron: Intel Museum.

Terwijl de componenten, bijvoorbeeld transistoren, in de nieuwste generaties elektronica in hun afmeting al op het niveau zijn aangekomen van 1 micrometer (1 micrometer = 10-6 m), zijn de afzonderlijke elementen waaruit die componenten zijn opgebouwd zelfs nog kleiner; verbindende metaalbaantjes zijn tegenwoordig soms al dunner dan 100 nm. Die onderdelen hebben dus een breedte waarop nog maar een paar honderd atomen passen! Het zal duidelijk zijn dat de miniaturisering niet onbeperkt door kan gaan. Volgens de wet van Moore zouden immers binnen enkele jaren de afmetingen van de elektronische componenten op een chip kleiner worden dan de afstand tussen twee atomen.

Er zijn ook diverse andere redenen waarom de huidige miniaturisering niet lang meer kan blijven doorgaan volgens het door Moore uitgestippelde, en tot nog toe door de industrie gevolgde pad. Als de afmetingen van de schakelingen heel klein worden, dan gedragen deze schakelingen zich namelijk niet meer op dezelfde manier als hun grotere uitvoering. Dat kan storend zijn voor hun werking, vooral als je domweg dezelfde schakeling op een kleiner oppervlak wilt kopiëren. Maar de veranderende werking levert ook nieuwe mogelijkheden op, vooral als je bereid bent de elektronica zo te ontwerpen dat je van die andere eigenschappen juist gebruik maakt. Een belangrijk voorbeeld van veranderend gedrag op de kleine schaal is de geleiding van elektrische stroom door een ultradunne metaaldraad. Het is tegenwoordig in het laboratorium mogelijk om de dunst denkbare draadjes te maken, namelijk draadjes met een dikte van slechts één atoom. Op deze piepkleine schaal overheersen de wetten van de kwantummechanica en kunnen we met de wet van Ohm niet meer uit de voeten.

Technologie met atomen en moleculen

We hebben gezien dat de toekomstige elektronica niet meer micro-elektronica maar nano-elektronica zal zijn. De afmetingen van de werkzame componenten zullen hoogstens enkele tientallen atoomafstanden bedragen, en voor de werking van deze ‘nano-devices’ zal de kwantummechanica van wezenlijk belang zijn. De nieuwe technologie, met structuren die samengesteld zijn uit slechts een klein aantal atomaire of moleculaire bouwstenen blijft niet beperkt tot het gebied van de elektronica. Onze science fiction strekt zich ook uit tot de materiaalkunde, de chemie en de biologie. Om een globale indruk te krijgen van de reikwijdte van de nanotechnologie, laten we hier een aantal interessante voorbeelden de revue passeren.

Voorbeelden van nanotechnologie

Microscopen die atomen kunnen ‘zien’ In het begin van de jaren tachtig van de vorige eeuw kreeg de ontwikkeling van de nanotechnologie een enorme impuls door de uitvinding van de zogenaamde rastertunnelmicroscoop. Dit instrument maakt het mogelijk om de buitenkant van materialen af te tasten met een zo grote gevoeligheid, dat de afzonderlijke atomen aan het materiaal-oppervlak daarbij zichtbaar worden (zie Figuur 2). De uitvinders, Gert Binnig en Heinrich Rohrer (IBM, Zürich), ontvingen voor deze doorbraak in 1986 de Nobelprijs voor de natuurkunde.

Figuur 2. Indium-atomen, als verontreiniging ‘verstopt’ in het oppervlak van een koper kristal, en afgebeeld met de rastertunnelmicroscoop. Elk van de kleine rode bobbeltjes is één koperatoom. Elk van de gele uitsteeksels is één indiumatoom. Universiteit Leiden.

Dunne draden

De dunste metaaldraad die ooit is gemaakt, heeft een dikte van slechts één atoom. In Figuur 3 is een afbeelding te zien van een computersimulatie van zo’n draadje van het materiaal goud. Tussen de twee goudelektroden is een brugje te zien van zes goudatomen, dat zich spontaan heeft gevormd. Het blijkt dat deze ultradunne draadjes niet meer gehoorzamen aan de wet van Ohm.

Figuur 3. Metaaldraad met een dikte van één atoom. Universiteit Leiden.

Bucky-ballen en nanobuizen

Wereldwijd wordt in een groot aantal laboratoria gewerkt aan zogenaamde ‘bucky balls’. Dit zijn ronde, voetbalvormige structuren van koolstof. Elke bucky ball bestaat uit precies zestig koolstof atomen, elk op een van de hoekpunten van de bal. Samen vormen de atomen een regelmatig patroon van vijfhoeken en zeshoeken, net als bij een echte voetbal. De diameter van de balletjes bedraagt slechts circa 1 nm. Voor de ontdekking van deze atomaire voetballen kregen Harry Kroto, Richard Smalley en Robert Curl in 1996 de Nobelprijs voor de scheikunde.

Figuur 4. Model van een bucky ball (C60), en van een stukje van een C60 kristal. bron: Bristol University.

De eigenschappen van deze nanoballetjes wijken vaak sterk af van die van de andere vormen van koolstof, zoals grafiet en diamant. Daarmee zijn ze interessant voor een groot aantal mogelijke toepassingen. De balletjes zijn enorm sterk en ze vertonen relatief weinig neiging om chemische bindingen aan te gaan met andere stoffen. Daarom hopen biochemici bijvoorbeeld dat bepaalde medicijnen mooi in zo’n koolstof-‘kooitje’ getransporteerd zouden kunnen worden door je lichaam. Natuurkundigen hebben ontdekt dat je uit de balletjes prachtige kristallen kunt maken, die, als je bepaalde metaalatomen aan de koolstofballetjes bevestigt, bij lage temperatuur supergeleidend zijn. De perfect ronde vorm en de chemische ongevoeligheid maken de balletjes ook mogelijk geschikt als smeermiddel (‘nano-kogellager’).

Figuur 5. Microscoop-opname gemaakt met een zogenaamde rastertunnelmicroscoop (boven) en een model van een koolstofnanobuis (onder). bron: TU Delft

Sterk verwant met de bucky balls zijn de koolstof nanobuizen. Een nanobuis is een ultradunne koker van koolstofatomen, die je je kunt voorstell

Figuur 6. Microscoop-opname van een koolstof nanobuis tussen twee elektroden op een siliciumchip. bron: TU Delft.

LEGO met atomen

In Figuur 7 wordt de kleinste ‘reclame-boodschap’ getoond die ooit is gemaakt. Het structuurtje bestaat uit een aantal xenonatomen die met een nauwkeurigheid van circa 0.1 nm zijn neergezet op het oppervlak van een nikkelkristal. De totale lengte van het logo bedraagt nog geen 3 nm. Dit voorbeeld illustreert dat het mogelijk is om nanostructuren atoom voor atoom op te bouwen, als LEGO met atomen.

Figuur 7. Onderzoekers van IBM gebruikten een rastertunnelmicroscoop om de xenon atomen op dit nikkeloppervlak één voor één op hun plaats te zetten. Met diezelfde microscoop werd vervolgens het resultaat afgebeeld. bron: IBM.

Bionanotechnologie

Het grote voorbeeld voor de nanotechnologie is de biologie. Levende cellen kan je beschouwen als gecompliceerde chemische micro-fabriekjes. Ze zitten vol met ‘machientjes’ met afmetingen van enkele nanometers. Het bekendste voorbeeld is het DNA. Een gestrekt DNA molecuul heeft een diameter van slechts 2,5 nm. Het fungeert als een belangrijk onderdeel in de aanmaak van alle biologische bouwstenen in de cel.

Figuur 8. Microscoop-opname van een individueel ‘human transcription factor 2: DNA’ complex.

Veel biologische processen maken gebruik van mechanische verplaatsingen, die veroorzaakt worden doordat een eiwitmolecuul, een zogenaamd motorproteïne, als het ware over een ander molecuul ‘heenkruipt’. Deze bewegingen spelen bijvoorbeeld een rol bij celdeling en bij de werking van spieren. In de wanden van cellen en mitochondria zitten grote aantallen speciale eiwitmoleculen die betrokken zijn bij de regulering van transport van atomen en moleculen van de ene kant naar de andere kant en bij de energiehuishouding van de cel. Van diverse van deze nano-wondertjes is de structuur in de laatste jaren opgehelderd met technieken zoals Röntgendiffractie en NMR (nuclear magnetic resonance spectroscopy), en op basis van hun structuur probeert men ook hun werking te begrijpen.

Figuur 9. Schematische weergave van het membraan-eiwitcomples F1-ATPase. Met behulp van de aan het eiwit bevestigde, sliertvormige actine-fiber, kan de spontane draaiing van het eiwit zichtbaar worden gemaakt.

Figuur 9 laat het schema zien van het eiwitcomplex met de naam F1-ATPase. Het speelt een belangrijke rol bij de synthese van ATP-moleculen, de brandstof voor de cel. Onderzoekers in Engeland en de Verenigde Staten hebben ontdekt dat het middelste gedeelte van dit complex tijdens de ATP-productie om zijn as draait, als een soort Wankel-motor. Voor het ontrafelen van de structuur van deze complexe draaimotor ontvingen John Walker (Cambridge) en Paul Boyer (Los Angeles) in 1997 de Nobelprijs voor de scheikunde. In de tekening van figuur 9 is aangegeven hoe de draaiing zichtbaar wordt gemaakt. Aan de centrale as is een dunne moleculaire ‘wimpel’ bevestigd, die door de draaiing mee wordt gesleurd.

De droom van Feynman

De eerste wetenschapper die serieus heeft nagedacht over de mogelijkheid van het beheersen van de materie op de schaal van atomen en moleculen was de Nobelprijs-winnaar Richard Feynman. In een legendarische lezing, getiteld “There’s plenty of room at the bottom”, bij een bijeenkomst van de American Physical Society in 1959, hield hij zijn collega’s voor dat de natuurkundige wetten het niet onmogelijk maken om atomen zichtbaar te maken met sterke microscopen en om materialen atoom voor atoom in elkaar te zetten. De toepassingen waarop de nanotechnologie zich momenteel richt, werden in de visionaire lezing van Feynman allemaal al voorzien. Hoe vooruitziend zijn blik was, wordt duidelijk als je je realiseert dat dit slechts enkele jaren na de uitvinding van de transistor was, en meerdere jaren vóór de ontwikkeling van de eerste elektronische chip. Feynman dacht ook na over de manier waarop de atomair precieze technieken zouden kunnen worden omgezet in massaproductie. Hij liet zich hierbij deels inspireren door de biologie.

Feynmans droom is verder uitgewerkt door diverse op de toekomstige technologie gerichte organisaties. Een van de bekendste daarvan is het Foresight Institute. Op de website van deze organisatie word je op de hoogte gehouden van de laatste ontwikkelingen op het gebied van de nanotechnologie. Bovendien vind je hier ook links naar enkele goed leesbare, algemene (web)-boeken, waarin wordt uitgelegd hoe de huidige techniek stap voor stap kan worden verfijnd naar massaproductie met controle op de schaal van nanometers.

Figuur 10. Richard P. Feynman (1918 – 1988) wordt beschouwd als de grondlegger van de nanotechnologie.

Deze bijdrage is ontleend aan de Aansluitingsmodule Natuurkunde voor leerlingen uit het VWO die is ontwikkeld door een team van docenten van de Universiteit Leiden en schooldocenten. Deze module is bedoeld voor leerlingen uit 5 of 6 VWO.

Dit artikel is een publicatie van Leids Instituut voor Onderzoek in de Natuurkunde (LION).
© Leids Instituut voor Onderzoek in de Natuurkunde (LION), alle rechten voorbehouden
Dit artikel publiceerde NEMO Kennislink op 12 november 2003

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.