Een koolstofbuisje heeft een diameter van ongeveer een miljardste meter, een nanometer. Vandaar de naam: koolstofnanobuis. De eigenschappen van koolstofnanobuisjes zijn heel breed: ze kunnen licht uitzenden of een elektrische stroom schakelen. Ze zijn daarmee veelbelovende opvolgers van de elektronische onderdelen die nu nog in silicium op chips worden gefabriceerd. Koolstofnanobuisjes zijn een factor twintig kleiner dan de bestaande schakelingen in chips.
“Toen ik in 2007 in Groningen kwam, op het Zernike Instituut voor Geavanceerde Materialen, was mijn belangrijkste opdracht om deze stoffen te onderzoeken met allerlei methoden, waaronder spectroscopie – het analyseren van het uitgezonden licht”, zegt Gao. “Ik vond het prettig dat ik dat zou leren, het is een heel belangrijk gereedschap voor veel onderzoeksterreinen.”
Gao begon zijn promotieonderzoek in Hongkong. Hij werkte daar twee jaar lang aan zijn promotie, maar besloot toen ontslag te nemen en naar Groningen te gaan. “Het ging op zich wel goed, ik had twee publicaties, maar ik had het niet naar mijn zin.”
Toch was die periode essentieel voor een overstap naar een wetenschappelijke carrière in het westen, denkt Gao. Hij studeerde materiaalkunde aan de universiteit van Jilin en daarna aan het Changchun Instituut voor Toegepaste Scheikunde, waar hij in 2005 zijn master haalde. “In China werd je wel aangemoedigd om westerse leerboeken te gebruiken, maar de colleges waren allemaal in het Chinees. In Hongkong waren ze in het Engels, daar is mijn Engels enorm van verbeterd. Toen ik in Nederland kwam, was het zelfs wat beter dan van de gemiddelde student.”
Behalve Nederlandse en Chinese accenten waren er in zijn Groningse werkkamer nog veel meer te horen tijdens skypeconferenties met medewerkers in allerlei landen. De nanobuisjes kwamen uit Italië, en voor een deel van het onderzoek werkte Gao samen met een groep onderzoekers uit Brazilië die hij op een conferentie had ontmoet.
Appels en peren
“Het is appels en peren vergelijken”, zegt hij over de twee richtingen waarin zijn onderzoek ging. Eerst boog hij zich over ‘erwtenpeulen’: nanobuisjes waar moleculen van een andere stof binnen zijn geraakt. De stoffen die hij daarvoor koos, hebben een bijzondere eigenschap: als je ze met licht beschijnt, gaan ze zelf ook licht uitzenden van een typerende frequentie. Dat deden de nanobuizen met quaterthiofeen (kortweg 4T), quinquethiofeen (5T) en sexithiofeen (6T) ook. De kleur van dat licht was niet precies hetzelfde als wanneer die stoffen vrij in oplossing worden beschenen. Die lichtkleur zegt iets over de band die er bestaat – uitwisseling van energie, technisch gesproken – tussen de nanobuis en zijn passagiers.
Ook op andere manieren probeerde Gao zo veel mogelijk te weten te komen over het gedrag van de combinatie. Zo vond hij door middel van elektronenmicroscopie uit, dat de thiofeenmoleculen zich niet op willekeurige plekken in de buis bevinden, en ook niet op een rijtje precies in het midden, allebei voor de hand liggende mogelijkheden, maar in twee nette rijtjes naast elkaar, elk dicht bij de wand. Ook dat duidt op een koppeling tussen de nanobuis en zijn inhoud. Die koppeling heeft invloed heeft op de manier waarop zo’n buisje energie kan opnemen uit elektriciteit of licht, en dat is weer bepalend voor de vraag of het als een elektronisch onderdeel te gebruiken is.
Wat voor onderdeel dat zou moeten zijn, is voor erwtenpeulen nog niet zo duidelijk. Wel voor de andere soort die Gao onderzocht, de omwikkelde nanobuizen. Voor dat omwikkelen gebruikte hij verschillende polyfluorenen, chemische verbindingen van koolstof en waterstof. De omwikkelde nanobuizen liet hij als dunne film neerslaan, waarna hij de elektrische eigenschappen van die film onderzocht. Het bleek mogelijk te zijn om op die manier een veldeffecttransistor te maken, de meest voorkomende schakeling op hedendaagse chips.
“Hoe kun je nanobuisjes in de echte wereld gebruiken?”
“Dat je met een nanobuis zo’n transistor kunt maken, was al wel bekend”, zegt Gao. “Maar het bestaande onderzoek richt zich vaak op een enkel buisje. In een laboratoriumsetting zie je dan altijd fantastische eigenschappen. Maar het probleem is: hoe kun je nanobuisjes onderdeel maken van een systeem dat in de echte wereld gebruikt kan worden? Daar zijn anderen in de groep nog mee bezig. De vooruitzichten om de prestaties van zulke transistoren te verbeteren, zijn erg goed.”
Gao is na zijn promotie in Groningen naar Princeton gegaan. Daar werkt hij niet meer aan nanobuizen, maar aan smalle stroken koolstof van 50 nanometer breed en maar één atoom dik: grafeen nanolinten. “Die hebben veel eigenschappen die we nog niet kennen. Ik heb een contract voor een jaar, misschien worden het er twee. Of ik naar China terugga of niet, hangt er maar net van af. Ik richt me op een interessant onderzoeksgebied, niet op een land.”
Dit artikel verscheen in het STW-boekje Technologisch Toptalent 2012. Lees ook de andere artikelen: