t h e o r a s i ng
Nanotechnologie: Science of Fiction? Een korte introductie over zin en onzin van nanotechnologie
i n l e i di ng Nano is een klein woord met een grote impact op wetenschap, technologie en maatschappij in de afgelopen decennia, welke naar verwachting alleen maar groter zal worden. Het Griekse woord nanos betekent dwerg en de nanowetenschap handelt dan ook over een omvangrijk wetenschapsgebied dat zich bezighoudt met materie op zeer kleine schaal, ruwweg tussen de 1 en 100 nanometer (1 nanometer = 1 nm = een miljardste deel van een meter). Het doel is de eigenschappen van materie op die nanoschaal te leren begrijpen en te controleren. Ik praat hier met opzet over ‘nanowetenschap’: hoewel de maatschappij natuurlijk het meest geïnteresseerd is in nanotechnologie, dat wil zeggen de mogelijke toepassingen van de nieuwe eigenschappen van materialen op nanoschaal, moeten we ons realiseren dat dit wetenschapsgebied nog in de kinderschoenen staat. Ondanks het feit dat er al de nodige ‘nanoproducten’ te koop zijn, is de nanowereld voornamelijk nog een gebied waar we nog verschrikkelijk weinig van weten, hoewel die kennis dagelijks met reuzensprongen groeit. Dat ‘nano’ hot is blijkt uit de grote wetenschappelijke, financiële en publicitaire aandacht die er voor is. De kranten staan vol van de ontwikkelingen van de nanowetenschap, en overheden en bedrijfsleven investeren er miljarden euro’s in. Volgens voorspellingen van de Amerikaanse National Science Foundation zal de nanomarkt in 2015 uitgegroeid zijn tot een triljoen-dollar-markt.1 Deze investe-
17
ringen vinden plaats in de gezondheidszorg, farmacie, elektronica, communicatie, veiligheid, voedsel, energie etc. Anderzijds gaan er ook enge verhalen rond over nanorobots die ons menselijk lichaam gaan overnemen en de wereld veroveren.2 Dit soort verhalen schaar ik inderdaad onder de, overigens best spannende, science fiction.
l e ng t e s c h a l e n De menselijke lengteschaal is typisch van de orde van 1 meter (vroeger werd de mens ook als maat gebruikt: denk aan een ‘el’, ‘duim’ en een ‘voet’). Optisch kunnen we met wat hulp (microscoop) tot net beneden een micrometer nog details waarnemen, maar kleiner dan dat kan ons oog niet zien. Daarvoor hebben we een sterkere vergroting nodig die bijvoorbeeld met behulp van elektronen bereikt kan worden: de elektronenmicroscoop en de Scanning Tunneling Microscoop (s t m ). Laatstgenoemde heeft in de afgelopen jaren sterk bijgedragen aan de ontwikkeling van de nanowetenschap. Niet alleen door de gevoeligheid van het instrument maar ook door zijn veelzijdigheid: met een s t m kun je niet alleen waarnemen, je kunt ook deeltjes manipuleren op de nanoschaal! Om een gevoel te krijgen voor hoe klein nano eigenlijk is, kunnen we soms beter kijken naar verhoudingen: de verhouding tussen de grootste planeet in ons zonnestelsel Jupiter en een voetbal is dezelfde als die tussen een voetbal en de ‘buckyball’, een molecuul van 60 koolstofatomen welke een doorsnede heeft van ongeveer een nanometer (overigens heeft de ‘buckyball’ precies dezelfde vorm als een voetbal, daar dankt het ook gedeeltelijk zijn naam aan). Anders gezegd: de bladzijden van dit boek zijn ongeveer honderdduizend nanometer dik, en uw haren hebben (of hadden) een dikte tussen de vijftig- en tweehonderdduizend nanometer!
18
De nanowetenschap wordt wel als volgt gedefinieerd: Nanowetenschap is de wetenschap die zich bezighoudt met de fundamentele principes van structuren die tenminste in één dimensie afmetingen hebben tussen de 1 en 100 nm. Kleiner dan 1 nm wordt doorgaans gekeken naar losse atomen of moleculen; groter dan 100 nm naar bulk, maar deze grens is niet zo scherp. Nanotechnologie is het toepassen van deze kennis bij het ontwerpen van nieuwe materialen en apparaten. Hierbij moet men niet alleen aan computers en andere elektronica denken, maar ook aan toepassingen in de gezondheidszorg (contrastvergroters voor mr i-scanners), medicijnen, sensoren, nieuwe vormen van zonnecellen, voedsel, veiligheid, etc.
4
een buckyball (
m
Fig. 1. Jupiter*(1.4 x 109 m), een voetbal (0.22m) en een buckyball (10-9 m). *(copyright Space Telescope Science Institute (s t s ci , na sa /e sa )
De potentiële impact van nanotechnologie is enorm, maar hierin schuilt ook een zeker risico: men is geneigd om te snel over het woord ‘potentiële’ heen te stappen, waardoor gemakkelijk valse verwachtingen worden gewekt. Politici hebben vaak een korte horizon (minder dan 4 jaar) en journalisten een nog veel kortere. Wetenschappers hebben geld nodig voor het dure onderzoek en dat is de reden dat wetenschappers zelf soms ook wat overdrijven. Los van het feit dat er nu zeker al nanotoepassingen zijn aan te wijzen, bevindt het gebied zich nog voornamelijk in de zeer span-
19
nende wetenschapsfase van ontdekken en proberen te begrijpen. In dit hoofdstuk zal ik proberen de basisprincipes van de nanotechnologie, of beter gezegd de nanofysica en -chemie uit te leggen; wat is er zo bijzonder aan ‘nano’ behalve dat dit heel klein is? Wat zijn de gereedschappen die je nodig hebt om wetenschap te bedrijven op de nanoschaal en wat zijn de mogelijke consequenties van nanotechnologie voor onze maatschappij? NanoScience is een bij uitstek interdisciplinaire wetenschap: het werken en bestuderen op de nanoschaal betekent het werken op moleculaire schaal. Terwijl fysici dit gebied betreden door het ontwikkelen van nieuwe technieken die het mogelijk maken structuren te creëren en te bestuderen met atomaire precisie, werken scheikundigen van oudsher op deze schaal en proberen ze juist van daaruit grotere, complexere structuren te maken. Inderdaad net zoals dat ‘spontaan’ in biologische processen gebeurt: de meeste relevante processen in de natuur spelen zich af op de nanoschaal. Een d n a -molecuul heeft een doorsnede van 2,5 nanometer, hemoglobine heeft een doorsnee van 5 nm en een celwand is ook slechts nanometers dik. Niet voor niets werken binnen het i m m (Instituut voor Moleculen en Materialen) van de faculteit waarin ik werkzaam ben fysici, chemici en biochemici nauw samen. De natuur is daarbij ook een grote bron van inspiratie: hoe komt het dat die dunne zijden draad zo sterk is, hoe werken die nanomotoren die voor transport in een cel zorgen, hoe werkt de zelforganisatie in de natuur die voor zulke fantastische functionele structuren zorgt? Los van dit interdisciplinaire karakter en zijn mogelijkheden wil ik eerst nog even aandacht schenken aan de fundamentele aspecten: wat is er zo bijzonder aan de eigenschappen op ‘nano’schaal? Kun je de vele kennis die we hebben van bulkmaterialen niet eenvoudigweg extrapoleren naar kleinere afmetingen? Wanneer gaat dat fout en waarom? En hoe maak en bestudeer je
20
nanomaterialen? Daarnaast zal ik een aantal belangrijke gebieden in de nanowetenschap wat nader behandelen. Gezien de beperktheid van dit hoofdstuk is dit noodzakelijkerwijs een beperkte keuze.
alma ar kleiner…. De ontwikkelingen richting nanotechnologie zijn gedeeltelijk technologisch gedreven: de kracht (en de geringe omvang) van de huidige computers, en niet te vergeten de laptops, is het gevolg van de almaar doorgaande miniaturisatie in de elektronica die ervoor heeft gezorgd dat er meer dan een miljoen transistoren op een chip van een vierkante centimeter passen. Hierbij zijn de kleinste structuren van een transistor nog maar ongeveer 45 nanometer groot (beter gezegd klein!). Deze ontwikkeling is al gaande vanaf het begin van de moderne computer in de jaren zestig en wordt wel aangeduid met de wet van Moore. Gordon M. Moore was medeoprichter en hoofd van de r& d (Research and Development) afdeling van Fairchild Semiconductor, onder andere verantwoordelijk voor de ontwikkeling van geïntegreerde schakelingen (integrated circuits, oftewel ic’s, tegenwoordig meestal aangeduid met chip). Zich baserend op de toenmalige (let wel, slechts zeer prille) ontwikkelingen bij de fabricage van ic’s voorspelde hij dat het aantal componenten per ic ieder jaar zou verdubbelen. Hoewel hij deze eerste voorspelling, die later ‘de wet van Moore’ genoemd zou worden en bedoeld was voor misschien tien jaar, korte tijd later wat bijstelde tot een verdubbelingstijd van 18 maanden, is het haast ongelooflijk dat deze wet al meer dan veertig jaar stand houdt! Moore heeft niet alleen mogen meemaken dat zijn voorspelling zich tot een ijzeren (of beter gezegd: een silicium) wet ontwikkelde, hij heeft hier zelf ook enorm van geprofiteerd: hij was een van de oprichters van Intel, tegenwoordig
21
Fig. 2: De ‘wet van Moore’: gemiddeld verdubbelt het aantal transistoren op een chip iedere 18 maanden. De benamingen van de chips zoals die op de markt werden uitgebracht, zijn ook aangegeven.
een van de toonaangevende multinationale bedrijven op het gebied van de fabricage van computer chips. Intel is niet alleen een van de grootste op dit gebied, maar tevens een van de weinig overgeblevenen, dit als gevolg van wat wel de tweede wet van Moore wordt genoemd: de prijs van de fabrieken voor de fabricage van deze chips verdubbelt ook bij iedere generatie, en deze miljarden kostende investeringen blijken steeds moeilijker terug te verdienen en dus op te brengen. Het zijn echter niet de kosten die de geldigheidsduur van de wet van Moore bedreigen, maar veel eerder de fysische en praktische beperkingen die de almaar verder gaande miniaturisatie een halt zullen toeroepen. Op de eerste plaats moge het duidelijk zijn dat er een natuurlijk eind zit aan de verkleining van de transistor, namelijk als deze de afmeting van een atoom heeft bereikt. Dit klinkt misschien
22
absurd, maar in het huidige tempo wordt die limiet al binnen 30 jaar bereikt! Maar er zijn andere aspecten die al eerder voor grote problemen zullen zorgen: met welke methoden kunnen die nog kleinere structuren gemaakt worden en hoe ga je om met de enorme warmte ontwikkeling die er plaats vindt (een ieder die zijn laptop inderdaad op schoot gebruikt zal begrijpen wat ik bedoel). Hierin schuilen niet alleen grote technische problemen, maar juist ook grote wetenschappelijke uitdagingen: om aan de toekomstige behoeften van onze informatiemaatschappij te kunnen voldoen zullen er geheel nieuwe, nog niet bestaande, concepten moeten worden verzonnen en ook nog tot realiteit moeten worden uitgewerkt. Dit is misschien een goed moment om de ‘vader’ van de nanotechnologie te introduceren: Richard Feynman. Deze theoretisch fysicus (1918-1988) en Nobelprijswinnaar Natuurkunde (1965) stelde in zijn beroemd geworden lezing ‘There is plenty of room at the bottom’ in 1959 de vraag: zou het mogelijk zijn om alle informatie die in de ‘Encyclopædia Brittannica’ staat op de kop van een speld te schrijven?3 In zijn lezing maakt Feynman vervolgens een schatting van het aantal leestekens welke in deze zeer dikke encyclopaedie staan, en komt dan tot de conclusie dat daarvoor deze tekens met een factor 25000 verkleind zouden moeten worden. Dat klinkt misschien absurd, maar volgens Feynman is dit eigenlijk een simpel technisch probleem waar slimme ingenieurs vast een oplossing voor kunnen vinden. Er is namelijk geen enkele fysische wet die zoiets in de weg staat. Sterker nog, aangezien je in principe slechts hooguit 10 atomen nodig hebt om letters te maken zou je in principe nog veel verder kunnen gaan en al de geschreven kennis van dat moment op diezelfde speldenknop kunnen neerschrijven: er is inderdaad ‘plenty of room at the bottom’. En dit beweerde Feynman op een moment dat een computer zo groot was als een flinke collegezaal en het geheugen van die computer gevormd werd door magnetische ringetjes van enkele millimeters in doorsnee.
23
Fig.3. Foto van een deel van het magnetische geheugen van een computer (pdp11) uit het begin van de jaren zestig, bestaande uit magnetische ringetjes met een doorsnede van enkele millimeters, aan elkaar geregen door een netwerk van koperdraden.
Het bijzondere aan Feynman is niet zozeer dat hij een ontwikkeling die toen nog niet eens was begonnen zo helder voorspelde, maar veel meer dat hij in staat bleek om over bestaande grenzen heen te denken. Die eigenschap, die natuurlijk iedere goede wetenschapper hoort te bezitten, heeft hem later tot veel wetenschappelijke doorbraken en ten slotte tot de Nobelprijs geleid. Wat ik hiermee in deze context wil zeggen is dit: om toekomstige problemen het hoofd te bieden en nieuwe technische ontwikkelingen mogelijk te kunnen maken, zullen we inderdaad met revolutionair nieuwe ideeën moeten komen, over grenzen heen moeten kijken en totaal nieuwe concepten moeten verzinnen. Sommige van deze mogelijk nieuwe concepten zijn bijvoorbeeld kwantumcomputers, spinelektronica (die gebruik probeert te maken van het spinmagnetisch moment van een elektron in plaats van alleen zijn lading) en computers die net zo werken als onze hersenen (die in principe veel krachtiger zijn dan de sterkste supercomputer en slechts een fractie gebruiken van hun energie). Dit klinkt inderdaad wel als science fiction, maar dat klonken Feynmans woorden 50 jaar geleden ook. En in het Nederlandse
24
onderzoeksprogramma ‘NanoNed’ zijn er onderdelen zoals Quantum-Computation, Advanced NanoProbing, NanoSpintronics. Science-fiction? En wat denkt u dan van plastic stroomdraden? En hiermee bedoel ik niet de isolatie aan de buitenkant! Toch bestaan deze laatste al en aan de andere voorbeelden wordt momenteel hard gewerkt in vele laboratoria in de wereld. Nu loop ik echter op de zaken vooruit, dus terug naar de ontwikkelingen in de nanowetenschap.
na no : m a a k t h e t wat u i t ? Wat is het effect van miniaturisatie op fysische eigenschappen? Een kubieke meter goud, een kubieke centimeter, een kubieke millimeter: de intrinsieke eigenschappen van het goud veranderen niet. Op de schaal van de atomen zijn dit allemaal ‘oneindig’ grote bulkmaterialen. Wat gebeurt er echter als materialen nog kleiner worden? Onder andere de mechanische, optische, elektrische maar ook de magnetische en chemische eigenschappen van materialen blijken sterk te kunnen veranderen wanneer deze materialen op nanoschaal worden gemaakt. Het smeltpunt van een materiaal is normaliter een typische bulkeigenschap. Er bestaat een grote variatie tussen de smeltpunten van materialen, hetgeen te maken heeft met de aard van de bindingen tussen de atomen of moleculen waaruit ze zijn opgebouwd. Daarom beginnen de meeste materialen te smelten aan het oppervlak want de atomen aan het oppervlak hebben veel minder buren en zitten dus minder sterk gebonden. Een nanodeeltje heeft relatief erg veel atomen aan het oppervlak, dus daardoor wordt dit effect nog eens versterkt en kan het smeltpunt van zo’n deeltje tientallen graden lager komen te liggen.4 Ook de frequentie (kleur) waarop nanodeeltjes licht uitstralen is sterk afhankelijk van de grootte van het deeltje. Dit heeft alles te
25
maken met de kwantisatie (=het discreet zijn) van de elektronische energieniveaus, welke weer van de afmeting afhangt: de kwantummechanische situatie van een deeltje in een doos (u kunt dit vergelijken met een viool: de grote staande bas brengt lage tonen, dat wil zeggen lage frequenties, voort, terwijl de kleine altviool juist goed is voor de hoge frequenties en dus korte golflengten; de lage trillingen van de contrabas passen niet in de klankkast van de alt). Bij licht zijn de hogere frequenties de blauwe en de lagere de meer rode kleuren.
Fig. 4. Luminescentie door nanokristallen (links) en een glasin-lood raam (rechts), waarin kleine (nano) metaaldeeltjes de mooie kleuren veroorzaken.
Deze optische eigenschappen van kleine deeltjes kennen we allemaal al heel lang: de kleurenpracht van glas in lood ramen van kerken en kathedralen vindt zijn oorsprong in de lichtverstrooiing aan de kleine goud-zilveren nanodeeltjes welke in dit glas zitten, waarbij hun grootte de kleur bepaalt: nanotechnologie avant la lettre! Tegenwoordig worden dergelijke kleurrijke nanodeeltjes heel veel toegepast voor biologisch celonderzoek: door de deeltjes te koppelen aan bepaalde biomoleculen kunnen deze onder een microscoop gevolgd worden, wat heel veel nieuw inzicht oplevert over celmechanismen en ziekten.
26
a)
b)
b)
c)
c)
Fig. 5. a) Buckyball en nanobuis, b) Grafeen, c) Geleiding in een koolstofnanobuis, waarbij kwantisatie (discrete stappen) in de geleiding zichtbaar is.5
Een bijna ideaal voorbeeld van een eendimensionale geleider is een koolstofnanobuisje. S. Frank en zijn collega’s publiceerden in 1998 de resultaten voor metingen aan de geleiding in de nanometer dunne koolstofbuis. De gekwantiseerde stappen in de geleiding zijn hier heel expliciet te zien (fig. 5c).5 Koolstof, tevens één van de belangrijkste bestanddelen van organische materialen, blijft wetenschappers sowieso verbazen. Na de ontdekkingen van de ‘buckyball’ en de koolstofnanobuisjes, is de laatste jaren grafeen een van de ‘hottest’ onderwerpen in het onderzoek. Grafeen bestaat uit een slechts één atoom dikke laag koolstof (fig. 5b) en zijn ontdekker dr. Andre K. Geim (Universiteit van Manchester en ook verbonden aan de Radboud Universiteit) en de Nijmeegse hoogleraar Mikhail I. Katsnelson zijn vanwege hun vele wetenschappelijke bijdragen op dit gebied uitverkoren tot de toptien van meest geciteerde wetenschappers van de laatste twee jaar. Een ander verbluffend voorbeeld van het effect van ‘nano’ op eigenschappen, kan gevonden worden bij magnetische materialen. Rond 1986 ontdekten Peter Grünberg en Albert Fert onafhankelijk van elkaar het gmr-effect (Giant Magneto Resistance oftewel Reuze Magneto Weerstand), wat laat zien dat de weerstand van 2 nanometer dunne magnetische lagen, gescheiden door een even dunne niet-magnetische laag, heel sterk van een uitwendig aangelegd mag-
27
neetveld afhangt. Deze wetenschappelijke doorbraak vond 15 jaar later zijn eerste toepassing in de leeskop van een harde schijf: de steeds kleinere magnetische bits vereisten een steeds gevoeliger en ook kleinere leeskop, waarvoor de gm r sensor bij uitstek geschikt bleek. Dit is niet alleen een goed voorbeeld van toepassing van nanowetenschap, maar ook van het veel algemenere gegeven dat het meestal 10 tot 20 jaar duurt voor een wetenschappelijke doorbraak tot echte toepassingen leidt. Het duurde daarna niet meer zo lang voordat de beide ontdekkers daarvoor in 2007 de Nobelprijs voor Natuurkunde mochten ontvangen.
5 4 3 2
ferromagnetic
ferromagnetic Co Ru
1
Co anti-ferromagnetic
0 -1000
-500
0
500
1000
Magneet veld (kA/m)
Fig. 6. Het gmr-effect met daarnaast een schematische afbeelding hoe de gewenste structuur atoomlaag voor laag wordt opgebouwd.
Deze ontdekking is tevens een mooi voorbeeld van hoe wetenschap en technologie hand in hand gaan en elkaar wederzijds beïnvloeden en stimuleren: ontdekkingen zoals het gm r effect zijn mogelijk gemaakt doordat het technisch mogelijk is om materialen atoomlaag voor atoomlaag op te bouwen, een soort metselen op atomaire schaal! Een
28
methode die hiervoor veel wordt gebruikt binnen het fundamentele onderzoek heet Molecular Beam Epitaxy (mbe). Met mbe worden de dunste en schoonste preparaten gemaakt. Het principe is eenvoudig: het materiaal dat we willen gebruiken wordt langzaam verdampt in een ultrahoog vacuüm. Door dit vacuüm bewegen de atomen ongehinderd door botsingen, dus in een rechte lijn, van de oven naar het substraat. Het ultrahoge vacuüm is ook nodig om te zorgen dat er geen andere deeltjes op het substraat belanden zodat je dus een zeer zuiver preparaat kunt groeien.
na no s t ruc t u r e r i ng Om van gegroeide bulkmaterialen nanostructuren te maken is het nodig de bulk te structureren met behulp van lithografie. Lithografie is de techniek van het weghalen van materiaal totdat de gewenste structuur en dikte overblijven. Er wordt hierbij gebruik gemaakt van zowel optische effecten als van een elektronenbundel om dit proces te controleren. Fotogevoelige lithografie Lithografie zoals het wordt toegepast in de micro-elektronische industrie is een proces van een aantal stappen. De buitenste laag van het materiaal is, in het geval van optische lithografie, lichtgevoelig. Deze laag wordt door een mal heen belicht, zodat het gewenste patroon (of het negatief ervan) wordt blootgesteld aan het licht. Vervolgens wordt een etsmateriaal gebruikt dat het belichte (of juist het niet belichte) gedeelte van de lichtgevoelige laag oplost. Als dit proces voltooid is, dan is alleen nog maar het voorwerk gedaan: het etsen van de onderliggende structuur moet nog beginnen. Pas in een tweede stap wordt op de onderliggende laag silicium geëtst. Voor het maken van chips wordt dit proces wel 50 tot 100 keer herhaald en worden er tussen-
29
door geleidingskanalen aangebracht in de geëtste structuur. Omdat de nauwkeurigheid van de patronen in de orde van tientallen nanometers ligt is het bijzonder belangrijk de positionering van de preparaten tot op enkele nanometers nauwkeurig te controleren. Immers, alle contacten en andere elementen moeten precies op de juiste plaats terecht komen. Het etsproces zoals hierboven beschreven wordt niet alleen in de micro-elektronica gebruikt. Ook miniaturen van mechanische systemen kunnen worden geproduceerd door middel van een lithografisch proces. Dergelijke mechanische producten vinden hun toepassing in implantaten in het menselijk lichaam (kleine pompjes) of er worden microlaboratoria mee gemaakt: een ‘lab on a chip’ systeem, zoals dit onder meer binnen het Nijmeegse i m m wordt gemaakt en bestudeerd. Limieten aan lithografie Voor de huidige chips wordt nog steeds de hierboven beschreven lithografie met licht gebruikt. Er zit echter een limiet aan de schaal waarop deze techniek kan functioneren, namelijk de diffractie limiet van licht. Dit betekent dat de structuren die je kunt afbeelden (en dus etsen) niet veel kleiner kunnen zijn dan de helft van de golflengte van het licht (dat is ook de reden waarom je met een microscoop geen details kunt zien die kleiner zijn dan ongeveer een halve micrometer). In de industrie worden lasers gebruikt met een golflengte van 193 nm en de verwachte limiet ligt dan ook rond de 100 nm. Via een slimme optische truc (index matching, voor de liefhebbers) zijn ze er zelfs in geslaagd om dit naar 45 nm op te schuiven, maar daar blijft het voorlopig bij. Voor de volgende generaties chips wordt er momenteel in wetenschappelijke en industriële laboratoria zeer hard gewerkt aan het ontwikkelen van nieuwe lithografiemethoden met behulp van röntgenstraling, met een golflengte van slechts 13,5 nm. Overigens worden voor
30
onderzoeksdoeleinden ook wel elektronenbundels gebruikt, waarmee nog veel kleinere structuren kunnen worden gemaakt. Deze aanpak is echter te langzaam en te duur voor industriële toepassingen. Zachte lithografie: contactprinten Een nieuwe en bijzonder goedkope methode om nanostructuren te produceren lijkt veel op het printen met een inktjetprinter, zoals we dat thuis op papier doen. Een, door met name de groep van George Whitesides in Harvard, ontwikkelde methode maakt hiervoor gebruik van een patroon dat eerst met fotolithografie (of eventueel elektronenlithografie) wordt gemaakt. Dit patroon wordt vervolgens bedekt met een moleculaire inkt, met aan het uiteinde bijvoorbeeld een thiolgroep (...-s-h). De moleculen kunnen dan ‘geprint’ worden op een goudoppervlak, omdat de zwavelatomen een heel stabiele binding aangaan met goudatomen. Deze methode wordt tegenwoordig zelfs gebruikt om patronen met proteïnen op een oppervlak aan te brengen.6 Nanostructuren via zelforganisatie Een methode om direct losse nanodraden te groeien maakt gebruik van kleine (nano) druppels katalytisch materiaal. Deze katalysatoren verlagen lokaal de energiebarrière voor een specifieke chemische reactie. Onderzoekers van de Radboud Universiteit, in samenwerking met Philips en de t u Delft, zijn er in geslaagd om met behulp van zulke katalysatoren grote hoeveelheden mooi gerangschikte nanodraden van indiumfosfide te doen groeien, een halfgeleider materiaal waarvan lasers kunnen worden gemaakt. Het resultaat levert naast veel nanodraden ook een heel mooi plaatje op:
31
Fig.7. (a) Siliciumdraden met aluminium als katalysator. Rechts: elektronenmicroscopische opname van indiumfosfide draden gegroeid met behulp van nanodruppels goud als katalysator.7 Het streepje geeft 1 micrometer aan.
Dit gebruik maken van ‘zelforganisatie’ blijkt een steeds belangrijkere trend te worden in het nanochemisch onderzoek, waarbij wetenschappers zich laten inspireren door de natuur, die zelforganisatie tot een ware kunst heeft verheven. De natuur heeft daar echter, via natuurlijke selectie en mutaties, miljarden jaren over gedaan; wij willen dit het liefst de komende decennia onder de knie krijgen! Meer over deze aanpak in het een na laatste deel.
na no g e r e e d s c h a p Het kunnen maken van materialen op een dergelijke schaal gaat echter alleen goed als je ook op die schaal kunt waarnemen, anders weet je niet wat je aan het doen bent. Dat brengt me naar een van de meest belangrijke doorbraken in de nanowetenschap, de ontwikkeling van de al genoemde Scanning Tunneling Microscoop (st m), oftewel de Raster Tunnel Microscoop, waarbij een dunne metalen naald over een oppervlak wordt bewogen, een beetje zoals een ouderwetse grammofoonnaald, met het belangrijke verschil dat
32
de st m-naald het oppervlak niet aanraakt (geen krassen!). Deze microscoop, die is uitgevonden door Heinrich Rohrer en Gerd Binnig (Nobelprijs voor Natuurkunde in 1986), maakt gebruik van het kwantummechanische tunneleffect. Klassiek gezien, is het onmogelijk voor elektronen om door het luchtledige te springen. De kwantummechanica laat zien dat er een (zeer kleine) kans is dat dit wel gebeurt: er bestaat een kleine kans dat een elektron zich over een potentiaalbarrière heen beweegt (elektronen kunnen er doorheen tunnelen). De st m maakt gebruik van dit effect door de tunnelstroom te meten: hoeveel stroom er loopt tussen de naald van de st m en het te onderzoeken preparaat. Deze (zeer kleine) stroom hangt extreem gevoelig af van de afstand tussen naald en preparaat: de verandering van de stroom (die typisch tussen een en een duizendste nano-ampère bedraagt) is significant bij bewegingen van een fractie van een nanometer.
Fig. 8. Principe van een Scanning Tunneling Microscoop. Een dunne naald wordt met atomaire precisie over een oppervlak bewogen terwijl tegelijkertijd de tunnelstroom tussen naald en oppervlak wordt gemeten. Rechts een st m opname van een silicium oppervlak waarbij de atomen in een zesvoudig patroon liggen gerangschikt maar er ook af en toe atomen ontbreken.
De ontwikkeling van de stm maakte niet alleen het zien op atomaire schaal mogelijk, maar bleek al snel tot veel meer in
33
staat, namelijk het manipuleren van atomen en moleculen (fig. 9). Zo werd, dertig jaar na dato, Feynmans droom reeds verwezenlijkt: het schrijven van informatie met letters van atomen! Hoewel dit laatste niet snel tot een reële manier van informatieopslag zal leiden, kan het belang van deze ontwikkeling niet voldoende worden benadrukt. De ontwikkeling van de st m heeft geleid tot een heel scala van zogenaamde Scanning Probe Technieken, waarbij niet alleen microscopie kan worden gedaan op nanoschaal, maar ook allerlei eigenschappen zoals optische, magnetische en elektrostatische interacties op die schaal bestudeerd kunnen worden. Zonder overdrijving kan men inderdaad met recht beweren dat de stm een revolutionaire ontdekking is geweest, welke terecht binnen enkele jaren beloond werd met de Nobelprijs.
Fig. 9. Het logo van ibm (Image originally created by ibm Corporation), geschreven met behulp van xenonatomen die daarvoor eerst met een st m op de plaats werden gemanipuleerd en daarna met dezelfde st m werden afgebeeld.
Een van de vele nieuwe mogelijkheden wordt geïllustreerd in figuur 10, waar een stukje dna is zichtbaar gemaakt met behulp van een zogenaamde krachtmicroscoop (a f m : Atomic Force Microscope).
34
Fig. 10. Een a f m-opname van r na door Joost te Riet, Nijmegen
s u pr a mol e c u l a i r e c h e m i e In het bovenstaande stuk is een aantal van de, voornamelijk fysische, ontwikkelingen geschetst in de nanotechnologie. Zoals reeds in het begin gezegd beslaat de nanowetenschap een zeer breed en multidisciplinair onderzoekgebied waarin de laatste jaren de chemie een steeds sterkere rol speelt, en met name de supramoleculaire chemie. Deze laatste discipline, welke in het bijzonder ook in Nederland zeer sterk is ontwikkeld, probeert vanuit kleine moleculaire bouwstenen grotere en complexere structuren te maken. Deze worden vaak bijeen gehouden door relatief zwakke krachten (bijvoorbeeld vanderwaalskrachten) maar zijn toch zeer solide doordat het geheel is opgebouwd met behulp van zeer vele, ieder op zich inderdaad tamelijk zwakke, bindingen: een soort lego met moleculen. Hierbij laten de chemici zich graag inspireren door de natuur waarin dit soort structuren schering en inslag zijn. Neem bijvoorbeeld de overbekende d n a-dubbelspiraal welke bijeen wordt gehouden door waterstofbruggen. Daardoor kan deze
35
Fig. 11. Links: een moleculair model van een stukje dna; midden: een model van een spiraalstructuur gevormd door zelforganisatie van porfyrinemoleculen; rechts: een regelmatig patroon van porfyrine nanodraden op een plaatje mica, afgebeeld met behulp van een a f m.8
structuur ook vrij gemakkelijk ‘opengeritst’ worden, een noodzakelijke stap in de celdeling. Nijmeegse chemici zijn er in geslaagd om porfyrinemoleculen een zichzelf organiserende spriraalstructuur te laten vormen (fig. 11). Vervolgens is het recent gelukt om deze getwiste moleculaire draden op een geordende manier op een oppervlak te laten neerslaan, waarbij ze een zeer regelmatig patroon vormen van parallelle draden met een lengte van tientallen micrometers en een onderliggende afstand van ongeveer een micrometer (fig.11). Hoewel dit staaltje van gecontroleerde moleculaire organisatie uiterst primitief is vergeleken met echte biologische systemen, bevat het wel een aantal essentiële stappen, namelijk een hiërarchie in organisatie vanaf het moleculaire, via het nano- tot aan het micronniveau. Een alternatief voor het nabootsen van de natuur, is deze laatste direct te gebruiken. Een prachtig voorbeeld hiervan is het gebruik van virusbolletjes om nanodeeltjes te maken of te transporteren. Virussen hebben, behalve de onhebbelijke eigenschap van het veroorzaken van ziekten, vaak een bijzonder mooie regelmatige structuur, zie bij-
36
voorbeeld het onderstaande plaatje van het c c m -virus. Nijmeegse chemici zijn er in geslaagd om deze bolletjes, welke organisch materiaal bevatten, eerst leeg te maken en vervolgens te vullen met iets anders. Dit laatste kan bijvoorbeeld magnetisch zijn, maar eventueel ook een biologisch werkzame stof, zoals een medicijn.8 Men is er recent in geslaagd om dergelijke bolletjes extern met behulp van licht te activeren, wat geweldige mogelijkheden biedt voor het distribueren van medicijnen in het lichaam op de gewenste plek.9 Van deze en soortgelijke ontwikkelingen kunt u ongetwijfeld nog meer lezen in enkele van de andere hoofdstukken in dit boek.
Fig.12. Elektronenmicroscopische opname van een ccmvirus welke mooi de icosaëder- symmetrie van dit virus laat zien. De doorsnede van dit deeltje is ongeveer twintig nanometer. Rechts: model van opengewerkt en leeg virusomhulsel opgebouwd uit 180 identieke eiwitmoleculen (Dr. J. Cornelissen, imm Nijmegen).
t oe kom s t ig e on t w i k k e l i ng e n In dit hoofdstuk heb ik getracht een beeld te schetsen van wat nanowetenschap en nanotechnologie inhoudt: het maken, bestuderen, begrijpen en het controleren van de eigenschappen van materie op de schaal van enkele tot tientallen nanometers. Het moge duidelijk zijn dat we hier nog slechts aan het begin staan van een ontwikkeling welke een
37
enorme impact kan en zal gaan hebben op de maatschappij. Door lichte en sterke nieuwe materialen te ontwikkelen, kan er heel veel energie gespaard worden; kleine goudbolletjes kunnen niet alleen glas in lood mooi kleuren maar hun bijzondere optische eigenschappen kunnen misschien toegepast worden om zonnecellen veel efficiënter te maken. Als men zich realiseert hoeveel informatie er ligt opgesloten in een dna -molecuul, dan vinden we straks eventueel veel slimmere methoden om informatie op te slaan dan nu gebeurt in de harde schijf. En wie weet, bestaat in de toekomst niet alleen de verpakking van een computer uit plastic, maar de processor zelf ook. Behalve dat er voor al deze dromen nog veel onderzoek nodig zal zijn, is het ook van belang aandacht te schenken aan de potentiële negatieve aspecten die de oprukkende nanotechnologie met zich mee kan brengen. Koolstofnanobuisjes zien er niet alleen enigszins uit als (nano)asbest vezels, ze lijken zich ook zo te gedragen wat betreft hun mogelijk kankerverwekkend effect. En over de mogelijk andere toxische eigenschappen van nanodeeltjes is nog weinig bekend. En net als bij vele interessante optische of magnetische eigenschappen zegt het niet zoveel dat de bulkmaterialen niet toxisch zijn: we weten dat de eigenschappen op de nanoschaal juist vaak anders zijn! Wat gebeurt er met de materialen en apparaten nadat ze zijn verbruikt? Deze en nog vele andere aspecten verdienen even zeer onze aandacht als het onderzoek naar de potentiële nieuwe toepassingen. Gelukkig gebeurt dit ook in de nieuwe onderzoeksprogramma’s op dit gebied (zie het hoofdstuk van Paul Borm).
sa m e n vat t i ng In de krant, op de radio of op tv: het is nanowetenschap en nanotechnologie wat de klok slaat, waarbij de verwachtingen over het allerkleinste (nanos = dwerg) tot buitenge-
38
woon grote proporties worden opgeblazen. Waar gaat het hier over? Nanowetenschap houdt zich bezig met het bestuderen, begrijpen en manipuleren van moleculaire structuren en materialen met afmetingen tussen de 1 en 100 nanometer (1 nanometer is één miljoenste deel van een millimeter). Op deze schaal gedragen materialen zich vaak heel anders dan op macroscopische schaal. Nanotechnologie betreft de toepassing van deze kennis in nieuwe materialen en apparaten. De verwachting is dat nanotechnologie het mogelijk zal maken revolutionaire nieuwe materialen en structuren te creëren, met controleerbare fysische, chemische en biologische eigenschappen die nauw samenhangen met hun nanodimensie. Dit kan niet alleen leiden tot toepassingen in de elektronica (computers, harde schijven, sensoren) maar bijvoorbeeld ook voor medische diagnostiek en behandelingen, medicijnen, milieu, voedsel, veiligheid, energie, noem maar op. In dit hoofdstuk is getracht een beeld te schetsen van de achtergronden en mogelijkheden van de Nanowetenschap, een duidelijk interdisciplinair vakgebied waar natuurkunde, scheikunde en biologie samenkomen.
da n k wo or d Ik wil graag de collega’s van het Instituut voor Moleculen en Materialen bedanken voor hun input en Mira Rasing voor het kritisch doorlezen van het manuscript.
no t e n 1 Bron: National Nanotechnology Initiative, u sa . Zie internet: www.nano.gov. 2 M. Crichton, Prey, London 2003, Harper Collins. (Crichton is eveneens auteur van Jurassic Parc). 3 Deze lezing van Richard P. Feynman is gemakkelijk op het internet te vinden. Het is ook opgenomen in een bundeling
39
4
5
6
7
8
9
40
van lezingen uitgebracht onder de titel The pleasure of finding things out, Cambridge (m a ) 1999, Perseus Publishing. M. Zhang, M.Y. Efremov, F. Schiettekatte, E.A. Olson, A.T. Kwan, et al., ‘Size-dependent melting point depression of nanostructures: Nanocalorimetric measurements’, in: Physical review b , 62(2000), p 10548-10557. S. Frank, P. Poncharal, Z.L. Wang, & W.A. de Heer, ‘Carbon Nanotube Quantum Resistors’, in: Science 280 (1998), p. 1744-1746. A.C. von Philipsborn, S. Lang, A. Bernard, J. Loeschinger, C. David, D. Lehnert, et al., ‘Microcontact printing of axon guidance molecules for generation of graded patterns’, in: Nature Protocols, 1(2006), p. 1322-1328. R. van Hameren, P. Schön, A.M. van Buul, J. Hoogboom, S.V. Lazarenko, J.W. Gerritsen, et al., ‘Macroscopic Hierarchical Surface Patterning of Porphyrin Trimers via SelfAssembly and Dewetting’, in: Science, 314(2006) p. 14331436. A. de la Escosura, M. Verwegen, F.D. Sikkema, M. Comellas-Aragonès, A. Kirilyuk, Th. Rasing, et al., ‘Viral capsids as templates for the production of monodisperse Prussian blue nanoparticles’. in: Chemical Communications, 13(2008), p. 1542, d oi : 10.1039/b800936h. M.A. Kostiainen, O. Kasyutich, J.J.L.M. Cornelissen & R.J.M. Nolte, ‘Self-assembly and optically triggered disassembly of hierarchical dendron-virus complexes’, in: Nature Chemistry, 2(2010), p. 394-399.
