Je leest:

Nanotechnologie

Nanotechnologie

‘Tea. Earl grey. Hot.’ In de sf-serie Star Trek toveren ze zó een kopje hete thee uit een replicator. Leuk bedacht, maar onmogelijk. Of niet? Voor nanowetenschappers is een replicator geen science fiction maar – op termijn- een serieuze mogelijkheid. Op moleculair niveau knutselen wetenschappers al heel wat af. Ze bouwen de natuur na, ontdekken nieuwe eigenschappen van atomen of proppen hele laboratoria op een vierkante centimeter.

Small
Feynman tijdens zijn inmiddels legendarische lezing ’There’s Plenty of Room at the Botttom’.
California Institute of Technology

De Amerikaanse professor Richard Feynman voorspelde in zijn lezing ’There’s Plenty of Room at the Bottom’ in 1959 al de opkomst van de nanotechnologie. Hij sprak over hoe we in de toekomst hele bibliotheken op één vierkante millimeter kwijt kunnen. Ook voorzag hij wetenschappers die atoom voor atoom de meest onvoorstelbare machines in elkaar zetten.

Tot nu toe is het nog maar de vraag of nanotechnologie zijn beloften waar kan maken. En zo ja, wanneer dan? Er worden hier en daar al wat kleine succesjes geboekt: spijkerbroeken die nooit meer vies worden en verbeterde zonnebrandcrème. Echt grote maatschappelijke doorbraken zijn er nog niet. Hopelijk gaan de hoogtepunten nog komen. Er wordt in ieder geval hard aan gewerkt: honderden onderzoeksgroepen over de hele wereld zijn in de weer met nanotechnologie. Ook in Nederland doen we ons best: de TU Delft, Universiteit Twente, Rijksuniversiteit Groningen, Universiteit Wageningen, en TU Eindhoven hebben allemaal een nanolab. In 2009 investeerde de overheid via het initiatief NanoNed ruim 15 miljoen euro in de sector, waarmee deze nano-instituten flink konden groeien.

NPO Doc: The Strange New World Of Nanoscience

In The Strange New World Of Nanoscience legt Stephen Fry uit wat nanotechnologie precies inhoudt. In deze korte, deels geanimeerde documentaire geeft hij tevens voorbeelden van toepassingen.

Waarom zo klein?

Nanotechnologie is de wetenschap van het knutselen met losse atomen en moleculen, of in ieder geval structuren op de nanoschaal. Om een beetje een gevoel te krijgen: één nanometer is een tienduizendste van de dikte van een haar.

Medium
Hier zie je een nanobuisje op een mensenhaar. Nanobuisjes zijn vaak al zo’n 30 nanometer dik, dus één enkele nanometer is zelfs zo bijna niet te zien. Deze foto is gemaakt met een STM-microscoop
E Majur, Harvard Universiteit

Werken op die schaal kan natuurlijk niet gewoon met je vingers. De wetenschap heeft verschillende microscopen ontwikkeld om een idee te hebben wat ze aan het doen is, en methoden om losse atomen over oppervlaktes te verplaatsen.

Nanobuisjes, buckyballen en grafeen

Nanotechnologie heeft er ook voor gezorgd dat we sommige moleculen veel beter zijn gaan begrijpen en beheersen. De ontdekking van de buckybal luidde eigenlijk het begin van het nano-tijdperk in. Want toen bekend werd dat koolstof niet slechts diamant of grafiet kon vormen, maar bijna als lego gebruikt kon worden om nieuwe moleculen te maken, was het hek van de dam. Wetenschappers maakten bijvoorbeeld koolstofnanobuisjes: hele dunne, holle buisjes van koolstofatomen die makkelijk duizenden malen langer kunnen worden dan ze breed zijn. Deze nanobuisjes zijn erg sterk en licht, doch flexibel en worden al volop in comsumentenproducten verwerkt. Tennnisrackets en racefietsen bijvoorbeeld. Maar deze nanobuisjes zijn ook geleidend en worden als hele kleine stroomdraadjes genoemd in toekomstige chips. Maar onbetwist kampioen op dat gebied is toch het derde koolstof gebaseerde nanomateriaal: grafeen.

Overal nanobotjes!

Minuscule machientjes die te klein zijn om te zien, maar die allerlei problemen voor ons op kunnen lossen. Moleculaire machines vormen een toepassing van nanotechnologie die nogal tot de verbeelding spreekt. In science fiction gaat dat dan meestal over ‘grey goo’, nanobotjes die zichzelf ongebreideld zouden kunnen repliceren. Daar hoeven we gelukkig niet bang voor te zijn. Naast ongewenst, is dat nog ver buiten de mogelijkheden van de moderne wetenschap. Er wordt wel gewerkt aan machientjes die uit een paar kleine moleculen bestaan, zoals deze van rotaxaan.

Medium
Het natuurkundig instituut FOM werkt aan deze moleculaire motor van totaxaan.

Maar deze machientjes atoom voor atoom in elkaar knutselen zou wel veel werk betekenen. Daarom doen onderzoekers in dit gebied hun best om de machientjes zó te ontwerpen dat ze zichzelf in elkaar kunnen zetten. Dat kan bijvoorbeeld met DNA als bouwmateriaal. Zulke nanorobotjes hebben hun eerste stapjes al gezet.

Bijzondere eigenschappen

Eén van de dingen die nanotechnologie onderscheidt van scheikunde (dat meestal met deeltjes in bulk werkt), is dat losse deeltjes op die ultrakleine schaal andere eigenschappen kunnen krijgen dan normaal. Wat een deeltje kan, hangt ineens niet alleen meer af van de chemische samenstelling, maar ook van de grootte. Een mooi voorbeeld is goud. Nanodeeltjes goud zijn niet meer gelig, maar kleuren juist rood. Naast de kleur kunnen ook allerlei andere eigenschappen zoals de reactiviteit anders zijn op de nanoschaal.

Medium
Klik op de afbeelding voor en grotere versie.

Dat komt omdat natuurkundige quantummechanica wetten op die schaal een rol beginnen te spelen. Dan kunnen hele deeltjes zich als atomen gaan gedragen, wat deuren opent naar quantumcomputers en zelfs het ‘teleporteren’ van informatie. Versturen zonder draadje ertussen, zeg maar.

Gezonder leven met nano!

Dat je dokter in een nanorobot even je lijf gaat oplappen, zoals in de film Fantastic Voyage, zal nog wel even op zich laten wachten. Maar nanotechnologie kan grote bijdragen leveren aan de medische wetenschap. Door medicijnen op te sluiten in nanobolletjes die pas open gaan als ze op de juiste plek terecht zijn gekomen, kunnen bijwerkingen worden verminderd en worden medicijnen zelf effectiever. Afweerstoffen tegen virussen of bacteriën of zelfs kankercellen, kunnen van plastic gemaakt worden zodat ze precies dát aanvallen wat de wetenschappers willen. Ook verkleinen wetenschappers hele laboratoria zodat ze op een chip passen. Handig voor ambulancepersoneel, in derde wereldlanden of in oorlogssituaties.

Nano – ja of nee?

Small

Is nanotechnologie wel zo’n mooie techniek als de wetenschappers ons doen geloven? Hoewel we waarschijnlijk niet bang hoeven te zijn voor nanorobotjes die onze hele wereld verslinden, het zit er dik in dat nanotech niet allemaal rozengeur en maneschijn is. Wat is de impact op het milieu, kunnen nanodeeltjes in ons lichaam terechtkomen en waar blijven ze na gebruik? Wetenschappers, onder andere bij TNO en de universiteit Wageningen doen hun best dit uit te vinden. En om te peilen of de samenleving wel op nanotechnologie zit te wachten, organiseerde overheidsorganisatie Nanopodium in 2010 een maatschappelijke dialoog over het onderwerp.

Eindeloos veel toepassingen

Nanotechnologie kan voor heel veel verschillende dingen gebruikt worden. Er zit al nanotechnologie in de meeste moderne computers, mobiele telefoons en er zijn al anti-zweetsokken op de markt met nanodeeltjes. In de toekomst zal het worden ingezet voor het verbeteren van duurzame energiebronnen, zoals bijvoorbeeld zonnecellen of betere batterijen. Als gemakkelijk middel om operatiekamers steriel te houden of schoon drinkwater te produceren in derde wereldlanden. Ook het (Amerikaanse) leger zet nanotechnologie in, om soldaten beter te beschermen of oorlogen te winnen. Maar nanotechnologie zal ook voor dagelijks gebruik beschikbaar worden: straks hoef je nooit meer je auto hoeven wassen. Hieronder een kleine greep, maar nano is eigenlijk overal.

De nano toekomst?

Small
Een still uit de film GI Joe: Rise of the Cobra

Heel veel nanotechnologische doorbraken zijn nu nog vooral nuttig voor fundamenteel onderzoekers. Met kleine stapjes tegelijk worden fenomenen in de nanowereld opgehelderd, telkens vergezeld door grote beloftes voor de toekomst. Elk onderzoek draagt bij aan duurzamer energiegebruik, lost kanker op of pakt een ander probleem aan. Maar gaat nanotechnologie onze wereld écht veranderen?

Dit artikel is een publicatie van Rijksuniversiteit Groningen (RUG).
© Rijksuniversiteit Groningen (RUG), alle rechten voorbehouden
Dit artikel publiceerde NEMO Kennislink op 19 januari 2011

Discussieer mee

0

Vragen, opmerkingen of bijdragen over dit artikel of het onderwerp? Neem deel aan de discussie.

LEES EN DRAAG BIJ AAN DE DISCUSSIE