Nanobuisjes: de ultieme bouwblokken

Zou het niet mooi zijn als je minuscule robots zou kunnen doorslikken die in je lichaam op jacht gaan naar ziekteverwekkers? Iets dergelijks gebeurde al in de sciencefictionfilm ‘Fantastic Voyage’ uit 1966. Daarin ging Hollywood aan de haal met een idee van de vermaarde Amerikaanse fysicus en Nobelprijswinnaar Richard Feynman. Hij was in de jaren vijftig de eerste wetenschapper die het serieus voor mogelijk hield dat materie beheersbaar is op atomair en moleculair niveau.

Natuurkundige wetten staan dit gedachtegoed niet in de weg. In de levende cel draait de moleculaire machinerie immers op volle toeren bij de opbouw en afbraak van vitale verbindingen als eiwitten, koolhydraten en vetten. Feynman voorzag een toekomst waarin de mens een soortgelijke machinerie zou gebruiken om elke denkbare stof te maken. Zijn ideeën vormden het fundament voor de nanotechnologie.

Nano is afgeleid van het Oud-Griekse woord nanos, dat dwerg betekent. Daarmee is niets te veel gezegd, want een nanometer meet 10^-9 meter ofwel een miljardste millimeter. Ter vergelijking: een menselijke haar is ongeveer 100 micrometer dik – dat is altijd nog 100.000 keer meer dan een nanometer. In een nanometer past een rijtje van tien waterstofatomen of vijf wat grotere siliciumatomen. Een DNA-molecuul heeft een diameter van 2 nanometer. Inmiddels hebben tal van wetenschappers zich gestort op deze ‘wereld van het kleine’. Zij focussen op alles wat zich afspeelt tussen de 0,1 en 100 nanometer, de schaal van atomen en moleculen.

Microscopische doorbraak

De Scanning Tunneling Microscopie (STM) en de Atomic Force Microscopie (AFM) zorgden twee decennia terug voor een wetenschappelijke doorbraak in de nanotechnologie. Kon een lichtmicroscoop deeltjes tot ongeveer een micrometer waarnemen, met deze nieuwe technieken is de vergroting opgevoerd met een factor duizend. Daardoor komt de nanowereld letterlijk in beeld: door met een ultradunne naald zeer nauwkeurig een materiaal of object af te tasten, wordt het oppervlak op moleculair en atomair niveau zichtbaar. De naald scheert rakelings over het oppervlak en registreert een signaal dat afhangt van hobbels en oneffenheden in de nanostructuur. Het gemeten signaal wordt omgezet in een driedimensionaal reliëfplaatje van het oppervlak.

Dergelijke microscopen zijn nu zó verfijnd en verbeterd, dat ze geschikt zijn voor routinematig gebruik. In het Nanolab van de Radboud Universiteit Nijmegen zijn STM- en AFM-technieken bijvoorbeeld commercieel beschikbaar. Bedrijven kunnen er terecht om kleine foutjes op te sporen in producten of processen. Een afwijking op nanoniveau, die voor een gewone microscoop onzichtbaar blijft, kan bijvoorbeeld verklaren waarom een partij cd’s is mislukt.

IJzersterk

Een van de grootste ontdekkingen binnen de nanowereld is het koolstofatoom, het bouwblok van diamant en grafiet. Rond 1985 raakten wetenschappers in de ban van de buckybal. In buckyballen zijn zestig koolstofatomen met elkaar verbonden in vijf- en zeshoeken – net als bij een voetbal. De bijzondere structuur van het koolstof leverde bijzondere eigenschappen op, waardoor de wetenschappelijke belangstelling snel was gewekt.

Amper vijf jaar later werd een vierde vorm van koolstof ontdekt: de nanobuis, een holle cilinder van koolstofatomen. De Japanse onderzoeker Sumio Iijima beschreef deze voor het eerst in 1991. Hij kwam de buisjes tegen tussen roetdeeltjes en ontdekte dat ze bij zeer hoge temperaturen (minimaal 800 ^oC) ontstaan uit methaangas. Onderzoekers waren direct onder de indruk van deze nieuwe nanodeeltjes, omdat de buisjes zo egaal en ijzersterk zijn.

Spanning

De koolstof nanobuisjes bestaan uit aaneengeschakelde zeshoekige koolstofringen, waardoor een holle, buisvormige structuur ontstaat met een diameter van ongeveer een nanometer. De lengte van de buisjes varieert van éénduizendste tot ééntiende millimeter. Ze zijn niet alleen sterk, maar ook licht. Deze eigenschappen maken nanobuisjes zeer aantrekkelijk als grondstof voor kabels. Die zouden duizend keer sterker zijn dan staal en toch zes keer zo licht. Russische wetenschappers zijn er al in geslaagd om op laboratoriumschaal een vezel te maken van de nanobuisjes van grafiet, maar het gaat nog om experimentele ontwerpen en technieken die verder ontwikkeld moeten worden.

Behalve bijzondere mechanische kwaliteiten hebben nanobuisjes ook opvallende geleidende eigenschappen. Sommige varianten zijn metallisch, andere halfgeleidend. De halfgeleidende buisjes kunnen gebruikt worden als een zeer kleine transistor, die afhankelijk van de spanning veel of juist nauwelijks stroom doorlaat. Hoe de buisjes elektronen transporteren, hangt af van de manier waarop ze zijn opgerold. De hoek waaronder de atomen gerangschikt zijn ten opzichte van de lengterichting, verschilt per buis.

Atomic force

Nanobuisjes zijn enkelvoudige moleculen en daardoor geschikt om elektrische geleiding te bestuderen op moleculaire schaal. Acht jaar geleden lukte het Delftse onderzoekers onder leiding van prof. Cees Dekker als eersten om elektrische geleiding te meten in individuele moleculen. Daarmee zetten zij een belangrijke stap op weg naar nano-elektronica. De onderzoekers toonden aan dat nanobuisjes gebruikt kunnen worden in elementaire ‘moleculair-elektronische’ schakelingen, die elektronische functies kunnen realiseren zoals in een computer. Maar helaas zijn de resultaten tot nu toe vrij mager: de moeilijkste berekening ooit met nanotransistors gemaakt is 3 × 5 = 15.

Het blijkt nog erg lastig om dergelijke transistors in grote hoeveelheden aan elkaar te koppelen. Een van de problemen is dat bij de productie van nanobuisjes een mengsel ontstaat van verschillende soorten deeltjes. Sommige hebben meerdere wanden, andere hebben wel de gewenste enkele wand, maar zijn atomair niet zodanig gerangschikt dat ze halfgeleidend zijn. Voor het maken van transistors worden de buisjes eerst afzonderlijk via Atomic Force Microscopie (ATM) geselcteerd. Wanneer een geschikt buisje is gevonden, worden daaromheen twee elektrodes en een elektrisch circuit geëtst. Dat is zeer arbeidsintensief en tijdrovend. Chips bestaan tegenwoordig uit honderden miljoenen transistors en het is natuurlijk ondoenlijk om nanobuisjes stuk voor stuk op het chipoppervlak te brengen.

Verhit

Een idee voor een snellere productie van dergelijke chips is om de koolstof nanobuisjes via zelfassemblage te laten koppelen aan de chip. Dat kan via DNA-moleculen: een stukje enkelstrengs DNA wordt dan aan de nanobuisjes gehecht, terwijl het daaraan complementaire DNA wordt bevestigd aan het chipoppervlak. Op die manier vinden de nanobuisjes zelf hun plaats en ontstaat de chip via spontane ordening. Onderzoekers hebben aangetoond dat dit principe werkt, maar voor grootschalig gebruik moet deze zelfassemblage verder verfijnd worden.

Top-down

De zoektocht naar ‘moleculaire maakbaarheid’ door moleculen samen te voegen tot werkzame systemen heet de bottom-upbenadering. Nanobuisjes vormen hiervan het ultieme voorbeeld. De tegenovergestelde manier om in het nanodomein terecht te komen, is de top-downbenadering: miniaturisering, de ontwikkeling van groot naar klein en nog kleiner. Deze vorm van nanotechnologie is sterk verbonden met de ict-sector. Schakelingen (transistoren) worden steeds kleiner, waardoor er op één chip steeds meer transistoren passen. Een moderne computerchip telt er al meer dan 125 miljoen – die per stuk nauwelijks 90 nanometer breed zijn. We spreken dan ook niet meer van microchips, maar van nanochips.

Een ander mooi voorbeeld zijn zogeheten nanosuspensies. Suspensies zijn vloeistoffen waarin onoplosbare deeltjes (colloïden) bewegen. Ze worden onder andere gebruikt voor de productie van vloeibare zeep, verven, crèmes, zalven, sprays en sauzen. De trend is om deeltjes steeds kleiner te maken, zodat de werking van deze producten verbetert. Ook hier is de nanogrens inmiddels bereikt, want in de VS schijnen de meeste nano-octrooien op naam te staan van cosmeticafabrikant l’Oréal.

Een ander idee is om de buisjes op de chips te laten ‘groeien’. Daartoe worden op de gewenste plekken ijzerdeeltjes aangebracht die als katalysator werken. De voorbewerkte chip worden vervolgens in een oven geplaatst die gevuld is met methaangas. Door een elektrisch veld aan te brengen, groeien de buisjes in de gewenste richting. Deze aanpak blijkt te werken, al speelt ook hier een probleem: de elektrische circuits moeten handmatig worden aangebracht. Op nanoschaal groeit er namelijk algauw iets scheef en bij gebruik van een standaard ets zouden de nanobuisjes nooit precies op de voorbestemde plek en in de juiste richting groeien.

Wetenschappers van IBM hebben onlangs echter een specifiek bindingsmolecuul ontworpen en gesynthetiseerd waarmee het wél mogelijk is een nanobuisje precies op een bepaalde plek te plaatsen. Het molecuul werkt als een intermediair tussen nanobuisje en chipoppervlak. Hierbij wordt een silicium plaatje, voorzien van banen aluminiumoxide, gedoopt in een mengsel van nanobuisjes en de ‘intermediaire’ moleculen. Die hechten aan het aluminiumoxide, maar laten los als het silicium plaatje wordt verhit tot 600^oC. Dankzij Van der Waals-interacties blijven de nanobuisjes daarbij op hun plek.

Extreem gevoelig

Behalve op een chip kunnen nanobuisjes ook gebruikt worden als transistor in een sensor. Er wordt momenteel hard gewerkt aan dit soort nanosensors. Die lijken bijvoorbeeld bruikbaar om in bloed minieme concentraties eiwitten en andere biodeeltjes (zoals virussen) te detecteren. Voordeel van koolstof nanobuisjes is dat ze extreem gevoelig zijn: als er een deeltje vastplakt aan de buis, beïnvloedt dit direct de geleidbaarheid. Om een nanosensor selectief te maken voor één bepaalde stof gebruiken wetenschappers een bioactief molecuul, zoals een enzym of een antilichaam.

Onderzoekers van het Amerikaanse Pacific Northwest National Laboratory hebben op deze manier selectieve nanobiosensors gerealiseerd. De koolstofbuisjes werden gecoat met een geladen polymeer, dat vervolgens bindt aan een enzym – in dit geval glucoseoxidase. Glucose in het bloed bindt met het sensorenzym, waarbij een redoxreactie een stroompje veroorzaakt dat gedetecteerd kan worden als gevolg van de veranderde geleidbaarheid van het koolstofbuisje.

De meetmethode moet nog geperfectioneerd worden. De gevoeligheid valt bijvoorbeeld verder te verhogen door meerdere lagen van het polymeerenzym te gebruiken. Deze tak van wetenschap bevindt zich nog in een proeftuin. Echte vooruitgang wordt pas geboekt als er een stroomverschil gemeten kan worden zodra één enkel molecuul aan een nanobuisje bindt. Theoretisch is het dan eveneens mogelijk om vorm- en ladingsveranderingen van een bepaald eiwit in de tijd te volgen.

Spaceshuttle

Er is nog flink wat labwerk nodig, voordat de nanobuis standaard in elke sensor en computer zit. Toch kunnen we nu al profiteren van de koolstofbuis die de nanorevolutie vorm zal geven. Zo heeft het bedrijf Nanoledge deze buis al verwerkt in tennisrackets die superlicht en supersterk zijn. Dankzij producten als dit racket, kunnen bedrijven oefenen in de massaproductie van nanobuisjes, de bouwblokken van onze toekomstige wereld. Als de productie van nanobuisjes omhoogschiet van grammen naar kilogrammen naar tonnen, zal deze buis een rol spelen in elk product waar kracht en gewicht een rol spelen. Vliegtuigen, auto’s en spaceshuttles zullen lichter en sterker worden dan ooit.