Nanotechnologie Kees de Lange studie- en oefenmateriaal voor bovenbouw havo en vwo
1. Wat is nanotechnologie? Nanotechnologie staat tegenwoordig enorm in de belangstelling. Gaat het alleen maar om (de zoveelste) hype? Zeker niet: er zijn reeds vele toepassingen te vinden van materialen die op nanotechnologie zijn gebaseerd in producten die je nu kunt kopen. Hoewel hype wel degelijk een rol speelt, vooral daar waar de “nano” meer het resultaat van toeval en nauwelijks van wetenschap en ontwikkeling is. En “meeliften” op spannende of veelbelovende ontwikkelingen is iets wat zowel in de wetenschap als in de economie gebeurt. Voor het eerst is de mens in staat om met atomen gewenste nieuwe materialen te bouwen. Waarschijnlijk heeft iedereen wel eens gehoord van nanotechnologie, maar wat houdt dit begrip nu eigenlijk in? Om te beginnen is nano afgeleid van het Oudgriekse woord nanos, dat dwerg betekent. Dit geeft al aan dat we met iets kleins te maken hebben. Nanotechnologie houdt zich namelijk bezig met schalen tussen de 1 en de 100 nanometer (1 nm = 10-9 m). Om je even voor te stellen, een nanometer is een miljardste meter en een nanometer is grofweg 80.000 keer zo klein als de dikte van een menselijke haar. Dit is de schaal van atomen en moleculen. Op een schaal kleiner dan 1 nm hebben we te maken met losse atomen of moleculen; bij afmetingen groter dan 100 nm spreken we over bulkmateriaal, hoewel de grens niet zo scherp is.
Foto's van het puntje van een vachthaar van een kat (A), een menselijke wenkbrauw (B) en een wimper (mens). Credits: Radboud Universiteit Nijmegen. In het nu volgende gaat het over de wetenschappelijke achtergronden en de technieken voor het maken en het bestuderen van nanostructuren. We hebben het dus niet alleen over technologie maar ook over wetenschappelijk onderzoek. Voordat iets in het stadium komt dat echt kan worden toegepast, moet het eerst op fundamentele aspecten worden onderzocht.
1
Nanoscience is een bij uitstek interdisciplinaire wetenschap: het werken en bestuderen op 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. Niet voor niets werken in onderzoeksinstituten fysici, chemici en biochemici nauw samen. In het navolgende wordt aandacht geschonken aan fundamentele aspecten: wat is er zo bijzonder aan nanotechnologie en nanoscience? Kan de vele kennis die we hebben van bulk materialen niet eenvoudigweg worden vertaald naar kleinere afmetingen? Wanneer gaat dit fout en waarom? En hoe maak en bestudeer je nanomaterialen?
De menselijke lengteschaal is typisch van de orde van 1 meter. Vroeger werd de mens ook als maat gebruikt: denk aan een ‘el’, een ‘duim’, een ‘voet’. Er zijn nog steeds zogenaamde hightech landen in de wereld die deze maten gebruiken. Optisch kunnen we met wat hulp (van een microscoop) tot net beneden een micron (10-6 m) dingen waarnemen, daar beneden hebben we sterkere vergrotingen nodig die met behulp van elektronen bereikt kunnen worden: elektronenmicroscoop en Scanning Tunneling Microscoop (STM). Voordeel van deze techniek is de hoge resolutie. De laatste heeft in de afgelopen jaren mede sterk bijgedragen aan de ontwikkelingen van de nanowetenschap. Niet alleen door de gevoeligheid van het instrument, tegenwoordig tot aan picometers (10-12 m), maar ook door zijn veelzijdigheid en vanwege het feit dat je met een STM niet alleen waar kunt nemen, maar ook kunt manipuleren op de nanoschaal. Het begin van wat we nu nanotechnologie noemen gaat terug naar 1959 toen de Amerikaanse natuurkundige en latere Nobelprijswinnaar Richard Feynman een lezing gaf met als titel: “There is plenty of room at the bottom”. In deze lezing gaf hij de aanzet tot het werken op kleine schaal: “What I want to talk about is the problem of manipulating and controlling things on a small scale.” Met een verbluffend inzicht voorspelde hij dat er geen problemen zouden zijn om atomen te manipuleren en zo complexe structuren te maken. Hij deed zelfs de volgende opmerkelijke uitspraak: “In the year 2000, when they look back at this age, they will wonder why it was not until the year 1960 that anybody began seriously to move in this direction.”
2
Richard Feynman Het basisidee achter nanotechnologie is dat het mogelijk moet zijn indien de chemische samenstelling en het driedimensionale bouwplan van een stof bekend is, deze stof te maken door de juiste bouwstenen op de goede plaats samen te voegen. Met een geschikte "nanomachine" is het in theorie mogelijk om losse atomen of moleculen op een rij of in een bepaald patroon te plaatsen. De eerste cd-spelers waren bijna zo groot als een hoofdkussen. Nu stop je een discman in je binnenzak. Wie zo’n apparaatje openschroeft, ziet een minuscuul motortje, een klein lensje en een paar chips. Apparaten worden steeds kleiner. Maar hoe klein kun je gaan? Sommige wetenschappers dromen al van robotjes, die zo klein zijn dat je ze alleen onder de microscoop kunt bekijken. De pootjes worden voortbewogen door nauwelijks zichtbare motortjes. Een klein grijpertje kan miniatuurreparaties uitvoeren, bijvoorbeeld in de bloedvaten van een hartpatiënt. Interessant zijn de mogelijkheden om verschillende kleine onderdelen samen te voegen op één siliciumchip. Dat maakt het mogelijk om computerkracht te combineren met de elektronica van bijvoorbeeld een uurwerk, een microfoon of een sensor. Wat zijn de gevolgen als we op een veel kleinere schaal gaan werken voor de fysische eigenschappen, bv. op mechanisch, optisch, elektrisch en magnetisch gebied. In 1 cm3 zitten bv. maar liefst 1024 atomen, maar in 1 nm3 slechts 103 atomen! Wat is het effect van miniaturisering op de eigenschappen? Of het nu gaat om een kubieke meter, een kubieke cm, of een kubieke mm goud: de karakteristieke eigenschappen van het goud veranderen niet. Op de schaal van atomen zijn dit allemaal ‘oneindig’ grote bulkmaterialen. Maar wat gebeurt er als materialen nog kleiner worden?
3
2. Wet van Moore De Wet van Moore stelt dat het aantal schakelingen (transistors) op een computerchip door de technologische vooruitgang elke 18 maanden verdubbelt. De voorspelling werd in 1965 gedaan door Gordon Moore, één van de oprichters van chipfabrikant Intel. De wet geldt tot op vandaag (2009), maar deskundigen houden er rekening mee dat deze vooruitgang binnenkort langzamer zal gaan verlopen. De reden daarvoor is dat de steeds verder doorgevoerde miniaturisatie niet langer alleen afhankelijk is van technologische vooruitgang, maar ook gehinderd wordt door praktische barrières zoals bv. het afvoeren van warmte.
Toen Moore de voorspelling in 1965 deed ging hij nog uit van een verdubbeling per 12 maanden. In 1970 stelde hij de voorspelling bij en zei ervan uit te gaan dat het groeitempo zou vertragen tot een verdubbeling per 24 maanden. Tegenwoordig lijkt de groei van de kloksnelheid van de chips te stagneren. Als oplossing daarvoor plaatsen de chipfabrikanten meerdere processoren (ook wel cores genoemd) op een chip. Dual cores vind je al in notebooks en er zijn zelfs chips met 80 floating-point cores. Deze parallelisatie kan echter alleen goed benut worden als de software hierop wordt aangepast. Zo kan de Wet van Moore nog wel een tijdje geldig blijven. Eind 2006 kondigde de toen gepensioneerde Moore aan dat zijn wet niet eeuwig geldend zou zijn, "Er worden inmiddels limieten bereikt die niet overschreden kunnen worden." Opgave Vraag gegevens op van de nieuwste computers en trek de grafiek van Moore’s wet door tot het jaar 2010. Opgave Geef voorbeelden van apparaten die in de loop van de tijd kleiner zijn geworden.
3. Nanofabricatie ‘shaping the world atom by atom’ Nanowetenschap en dus ook nanotechnologie zijn slechts mogelijk omdat we in staat zijn met nanometerprecisie structuren te maken waarvan de relevante onderdelen in de orde van slechts tientallen nm zijn. Het maken van nanostructuren, oftewel Nanofabrication is daarom essentieel. Tot voor kort was er maar één manier om kleine structuren te maken: je begint met een, meestal dunne, laag van een materiaal en gaat die daarna bewerken met lithografische technieken, d.w.z. je gaat door te etsen materiaal weghalen om zo een gewenste structuur over te houden.
4
De laatste jaren wordt er hard gewerkt aan alternatieve, zogenaamde bottum-up methoden, waarbij de gewenste structuur vanuit zijn atomaire of moleculaire onderdelen wordt opgebouwd. Dat laatste gaat natuurlijk niet werken als dat echt atoom voor atoom opgemetseld moet worden. Voor het maken van dunne lagen worden fysische opdampmethoden en chemische groeimethoden gebruikt. Opdampen is een techniek waarmee men een dun laagje vaste stof op een bepaald voorwerp kan aanbrengen. Hiervoor moet bij vacuüm gewerkt worden. Chemical Vapor Deposition (letterlijk vertaald “chemische dampneerslag”) is een chemisch opdampproces waarbij een dunne laag materiaal op een ondergrond (substraat) wordt aangebracht door chemische reacties in de buurt van het substraat.
In een CVD-reactor moet een aantal condities worden ingesteld om het juiste resultaat te krijgen: de gasdruk, de temperatuur (van de inkomende gassen evenals het substraat) en de gasstroom bepalen alle de kwaliteit en het groeipercentage van het materiaal dat je wil kweken. De structuur van het substraat speelt een belangrijke rol: doordat we te maken hebben met een trapvormig oppervlak dat uit vlakke terrassen van atomen bestaat, hebben de atomen die zich over de terrassen verspreiden meer kans om een traptrede en zo een juiste roosterpositie te vinden dan bij een volledig vlak oppervlak. Het is daarom belangrijk om de substraattemperatuur voldoende hoog te houden om een betere verspreiding te krijgen, maar de temperatuur mag niet te hoog zijn om te verhinderen dat de opgedampte atomen weer los laten. Opgave Leg uit waardoor je bij een hogere temperatuur een betere verspreiding krijgt en bij lagere temperatuur juist een betere hechting van de opgedampte moleculen.
5
Lithografie zoals die in de micronelektronica-industrie wordt gebruikt, bestaat uit een aantal stappen zoals hierboven schematisch is aangegeven.
Bottum-up Omdat het manipuleren op nanoschaal steeds moeilijker en duurder wordt, is er een grote behoefte om alternatieve benaderingen te vinden. Omdat de natuur in staat is om uit bestanddelen van moleculen en atomen perfect georganiseerde structuren te creëren (waarvan het ontwerp gecodeerd is in bv. DNA), werpt dit de vraag op of het mogelijk is om zelforganisatie te gebruiken om gewenste nanostructuren te fabriceren. Het is de uitdaging om fysische, chemische of zelfs biologische wisselwerkingen te benutten om atomen en moleculen in gewenste patronen te sturen. Het gaat om gecontroleerde zelf-organisatie.
Een vrij eenvoudige manier om zelf-georganiseerde nanodraden te groeien is door gebruik te maken van een zogenaamd “gestapt” substraat waarop een gedeeltelijke monolaag van een bepaald materiaal wordt gekweekt. Een dergelijk oppervlak wordt verkregen door één-kristal onder een bepaalde foute hoek ten opzichte van het kristaloppervlak te snijden. Onder de juiste omstandigheden en met de juiste materialen, wordt een getrapt oppervlak van atomair vlakke terrassen verkregen die worden gescheiden door lagen met een hoogte van één atoom.
6
Bij de juiste substraattemperatuur zullen de atomen die op zo’n oppervlak worden gedeponeerd zich aan de randen verspreiden (daar zijn meer atomen om aan te plakken, wat energetisch voordeliger is) waardoor nanodraden worden gevormd. Nanodraden zijn extreem dunne draden van een geleidend of halfgeleidend materiaal met een doorsnede van enkele nanometers (een nanometer is een miljoenste van een millimeter). Net als andere nanostructuren vertonen deze minuscule draden vaak exotische fysische eigenschappen. Een beter begrip van de fysische eigenschappen van nanodraden is onder andere van belang voor het ontwerpen van toekomstige elektronische schakelingen met afmetingen in de orde van enkele nanometers. Een alternatieve benadering is atoomlithografie. Hierbij worden nanostructuren gegroeid door atomen met laserlicht te manipuleren. Door een laserbundel te gebruiken die nauwkeurig is afgestemd op een sterke optische overgang van het onderhavige atoom, kunnen krachten op het atoom worden uitgeoefend dat vervolgens kan worden gemanipuleerd. Wanneer er verschillende laserbundels tegelijk worden gebruikt, ontstaat er een interferentiepatroon dat fungeert als een masker om de atomen te focusseren. Dit is in principe een prachtige techniek omdat er een patroon gemaakt wordt door de atomen op de gewenste plaats te deponeren en niet door materiaal te verwijderen.
4. Scanning Tunneling Microscoop Het is al gelukt om atomen één voor één op te pakken om zo een kleine constructie te maken. Daarvoor wordt een bijzonder pincet gebruikt, de Scanning Tunneling Microscoop (STM), waarmee één atoom opgepakt kan worden. In 1981 werd de STM ontwikkeld en hiermee is men in staat om afzonderlijke atomen te bekijken en zelfs te manipuleren. In 1991 lukte het wetenschappers van IBM om de naam IBM met afzonderlijke atomen te schrijven. Onderzoekers slaagden er in een aantal xenonatomen zodanig op een nikkelkristal te schikken dat ze samen de letters IBM vormden - het bedrijf waar de onderzoekers werkten.
Nederland heeft een lange traditie op het gebied van microscopie. Beroemd zijn de eerste microscopen van Van Leeuwenhoek (1632-1723), die een vergroting haalden van 200 keer. Een moderne lichtmicroscoop heeft een bovengrens aan de vergroting, omdat men geen details kan waarnemen die kleiner zijn dan de golflengte van het licht: 400 nm (violet). Als men toch kleinere details wil weergeven is er een andere aanpak nodig. Met een STM kunnen atomen zichtbaar gemaakt worden. Een atoom is ongeveer een tiende nanometer en een nanometer is één miljardste meter. De STM bevat een scherpe metalen naald die over het te onderzoeken oppervlak (preparaat) wordt bewogen. Met het naaldje kan men nauwkeurig de contouren van het oppervlak volgen zonder het te raken. Hierbij wordt gebruik gemaakt van 7
een quantummechanisch verschijnsel genaamd ‘tunnelen’. Bij tunnelen wordt een kleine spanning aangelegd tussen het naaldje en het preparaat. Wanneer het naaldje en het preparaat elkaar niet raken zal er normaal gesproken geen stroom lopen. Uit de quantummechanica is bekend dat bij hele kleine afstanden elektronen kunnen oversteken van het ene metaal naar het andere. Dan zal er dus toch een stroompje gaan lopen (tunnelstroom).
De tunnelstroom is sterk afhankelijk van de precieze afstand tussen het object en de naald; door de naald op of neer te bewegen kan de tunnelstroom worden ingesteld. Om een beeld te maken wordt de naald lijn voor lijn over het object bewogen; tijdens deze beweging wordt gepoogd de tunnelstroom constant te houden. De verticale beweging die daarvoor nodig is geeft een beeld van de bergen en dalen op het oppervlak van het object Het resultaat kan met behulp van moderne software, in mooie kleuren, driedimensionaal worden weergegeven.
Atomen kunnen door een tunneling microscoop (STM) worden verplaatst. Dezelfde microsccoop maakte deze afbeelding. Bron: IBM. Om de minuscule bewegingen uit te voeren die nodig zijn voor een STM wordt gebruikgemaakt van piëzo-elektrische kristallen: dat zijn kristallen die krimpen en uitzetten onder invloed van een elektrische spanning. In het piëzo-elektrische kristal wordt een elektrische spanning omgezet in een beweging op nanoschaal. De elektronica laat de naald bewegen in lijnen (scanning). Het zorgt ervoor dat de afstanden van de naald tot het preparaat worden doorgegeven aan de computer. Een controller scant en geeft de afstanden door: deze taken zijn vooraf geprogrammeerd. Scanning probe microscopie en spectroscopie geven de nanowetenschap niet alleen een ‘blik’ op de nanowereld, maar maken ook het gecontroleerd manipuleren op nanoschaal mogelijk. 8
IJzeratomen op koper Bovenstaande afbeelding geeft een mooi voorbeeld wat er allemaal mogelijk is met een STM. Zowel de manipulatie van atomen (hier, een deel van een enkele laag van ijzeratomen op een koperoppervlak), als het zichtbaar maken (afbeelden oftewel microscopie) en spectroscopie: de concentrische cirkels geven de quantummechanische waarschijnlijkheidsverdeling van de elektronen van Cu. Hoe gevoelig en veelzijdig een STM tegenwoordig ook is, er blijft een grote beperking: het principe is gebaseerd op het manipuleren van elektronen, m.a.w. je hebt geleidende substraten en samples nodig. Oplossing hiervoor is een Atomic Force Microscope (AFM). Hierbij wordt de kracht gemeten in pN (10-12 Newton). Een AFM is gebaseerd op het feit dat als je twee materialen, geleidend of niet, dicht bij elkaar brengt, deze een aantrekkende of afstotende wisselwerking met elkaar zullen hebben. Dit geldt niet alleen voor de voor de hand liggende situatie van elektrisch geladen materialen, maar ook voor volledig neutrale. Het gaat daarbij om de zogenaamde Van der Waalskrachten, vernoemd naar de Nederlandse natuurkundige Johannes Diderik van der Waals (1837-1923). Dit zijn de aantrekkingskrachten tussen moleculen met een gesloten elektronenschil. Opgave Welk gevolg heeft een gesloten elektronenschil? In moderne AFM’s wordt de uitwijking van de bladveer (cantilever) gemeten door middel van een laserdiode en een photodetector. De laatste bestaat uit 2 tot 4 segmenten, waardoor de relatieve verplaatsing van de gereflecteerde lichtbundel over de detector gemeten kan worden. Deze verplaatsing is gekoppeld aan de uitwijkingen van de tip en geeft dus op die manier informatie over de topografie van het oppervlak. Omdat er veel verschillende krachten zijn, zijn er ook vele versies van de AFM, zoals een Magnetic Force Microscope en een Electrostatic Force Microscope. Eigenlijk kun je iedere interactie tussen een tip en een oppervlak gebruiken, zo lang je maar tip en sample gecontroleerd ten opzichte van elkaar kunt bewegen en je die interactie kunt meten. Bv. ook locale temperatuur of capaciteit. Je kunt zelfs optische metingen doen met een heel hoge resolutie: tegenwoordig tot ongeveer 20 nm. De SNOM (Scanning Near-field Optical Microscope) is in wezen ook een tunnelmicroscoop, maar in dit geval van fotonen i.p.v. elektronen. De gevoeligheid is ook minder, maar je moet dit vergelijken met een normale lichtmicroscoop: met de allerbeste optische microscopen kun je niet veel kleinere details dan 300 nm zien, dus een SNOM is tien keer zo gevoelig.
9
5. Magnetisme en licht Behalve een lading heeft en electron nog een intrinsieke quantum-eigenschap, n.l. zijn ‘spin’ of intrinsiek draaimoment. Hoewel deze spin vaak, uit gebrek aan een beter beeld, als een klassieke tol wordt voorgesteld is dit een fout beeld. De spin is een quantummechanische grootheid die voor een elektron (in een referentiekader zoals een magneetveld) slechts twee waarden kan hebben: noord of zuid. Magnetisme heeft veel toepassingen, zoals bv. kompassen, elektromotoren, sensoren, schakelaars, etc. Een van de grootste toepassingsgebieden is echter gegevensopslag: van de ouderwetse bandrecorder, videobanden (vrijwel niet meer gebruikt) tot moderne harde schijven van computers en mogelijk in de toekomst MRAM (Magnetic Random Access Memory). Omdat de afmetingen van de magnetische bits steeds kleiner worden, komen ze ook binnen het nano-bereik. De vraag doet zich voor of behalve het kleiner worden, er ook wat gebeurt met de magnetische eigenschappen. Ze worden beïnvloed door dezelfde ontwikkelingen als bij het steeds kleiner worden van computerchips, waarvan de dichtheid elke achttien maanden verdubbeld wordt (volgens de Wet van Moore zie paragraaf 10.2). Er worden bv. harde schijven ontwikkeld met een bitlengte van 35 nm (niet zichtbaar met een conventionele microscoop!). De afmetingen van de bijbehorende lees/schrijf koppen wordt ook heel klein. Voorts is sprake van nieuwe toepassingen, zoals MRAM (geen nut als ze groter zijn dan 100 nm!). Wat gebeurt er met de magnetische eigenschappen als de grootte afneemt? Vindt er simpelweg schaling plaats? De fundamentele afmetingen van magnetische objecten wijzen allemaal in de richting van nano: domeingrenzen zijn gewoonlijk 10-100 nm breed. Opgave Wat is een bit? In 2007 is de Nobelprijs toegekend voor de ontdekking van Giant Magnetoresistance, kortweg GMR. Dit is het effect dat zeer zwakke magnetische veranderingen leiden tot grote verschillen in elektrische weerstand in magnetische nanomaterialen. Dat maakt een GMR-systeem tot de perfecte sensor om data uit te lezen van harddisks: data die magnetisch is opgeslagen kan worden omgezet in een elektrische stroom. In 1997 was de techniek op basis van GMR zover dat het voor het eerst gebruikt werd bij het uitlezen van harddisks. Sindsdien is het de standaarduitleestechniek geworden. Zelfs de meest recente uitleestechnieken zijn gebaseerd op GMR. Door gebruik te maken van het GMR-effect zijn de afgelopen jaren harddisks zoveel kleiner geworden. Hoe compacter de harddisk, hoe kleiner en zwakker de magnetische gebiedjes op de disk zijn. De uitleessensoren moeten dan dus ook gevoeliger zijn. Juist het GMR-effect maakt uitleessensoren zo gevoelig omdat deze sensoren ook zeer kleine magnetische veranderingen omzetten in een elektrische stroom. Hoewel de magnetische bits worden uitgelezen met een zogenaamde GMR-sensor, gebeurt het schrijven van de bits nog steeds met een kleine elektromagneet. Het schrijven met GMR kost ongeveer een paar nanoseconden. Zou dat niet sneller kunnen?
10
Een zeer recente ontwikkeling is dat er wordt gewerkt om magnetische bits met licht weg te schrijven. Een laserbundel met afwisselend links- en rechtsdraaiend circulair gepolariseerd licht verandert of laat de oorspronkelijke magnetisatie richting intact. De laserbundel zwaait heen en weer over het monster. Tegelijkertijd wordt de polarisatie van de laserbundel voortdurend gewisseld tussen linksom en rechtsom. Door de polarisatie af te wisselen gaat de magnetische richting of de ene of de andere kant uit. Dat is het equivalent van dataopslag in nullen en enen, die vervolgens ook weer kan worden uitgelezen.
7. De natuur als inspiratiebron Eerder werd de bottom-up benadering van nanofabricatie genoemd. Dit houdt in het maken of opbouwen van nanostructuren uit de bouwstenen, d.w.z. atomen en moleculen en niet uit het etsen van kleine structuren beginnend met bulkmaterialen (de top-down benadering). Maar hoe kunnen structuren met een specifieke functionaliteit maken uit ruwe materialen, d.w.z. de moleculen, worden gemaakt? In de nieuwe generatie van chips met nanotransistors werkt bijna 20% niet! Het is uiterst moeilijk om materie op dit niveau te controleren. Maar toch is de natuur in staat om dit te beheersen. Zelf-organisatie is een gebied dat steeds belangrijker wordt in nanoscience. Het is nog steeds erg moeilijk voor wetenschappers te werken op een schaal kleiner dan tientallen nanometers, hoewel biologische systemen wel volledig zelfgeorganiseerd zijn. Echter ook in de natuur worden vaak fouten gemaakt, maar op de een of andere manier kunnen de biologische systemen daarmee werken of repareren. Er zijn dus goede redenen om de natuur als inspiratiebron te gebruiken Door gebruik te maken van de moderne scheikunde kan een enorm breed spectrum van functionele materialen worden gemaakt. Hoewel in het verleden synthetische materialen
11
meestal werden gebruikt als goedkope, flexibele en sterke bouwmaterialen, inclusief verpakkingen (denk bijvoorbeeld aan alle verschillende plastics en piepschuim), beoogt modern onderzoek nieuwe synthetische materialen te ontwikkelen met op maat gemaakte elektronische, optische, magnetische of biologische eigenschappen. Om moleculaire materialen met geschikte eigenschappen te maken moet men kunnen uitgaan van de juiste moleculen die van belang zijn. Het gaat niet alleen om synthese maar ook om de mogelijkheid om te karakteriseren op het niveau van een enkele atoom. De volgende stap is organisatie, de bouwstenen moeten in grotere structuren worden ingebed om van moleculaire naar materiaaleigenschappen te gaan (supramoleculaire architectuur). Hier begint het beheersen van zelf-organisatie een rol te spelen. Binnen deze context vormen polymeerstructuren die bestaan uit lange zich herhalende ketens een aparte klasse.
Nanogeneeskunde De biologie in het algemeen, en wat specifieker ons eigen menselijk lichaam, vormt een grote bron van inspiratie. Net zoals de vormen van vogels en vissen ons informatie geven over stroomlijning, kunnen menselijke cellen de nanotechnologie informatie geven. Neem bijvoorbeeld het dupliceren van een DNA-molecuul. Met behulp van basismoleculen van enkele atomen groot, weet de cel een complexe nanostructuur zoals het DNA te maken. Je kunt een cel zelfs wel een beetje vergelijken met een assembler.
DNA molecuul. Iedereen die af en toe TV kijkt of de krant leest weet tegenwoordig wel dat DNA de basis van het leven vormt. DNA is de blauwdruk waarin alle eigenschapen van een organisme zijn vastgelegd. De biologische term organisme is de aanduiding van een levend wezen, van welke aard dan ook. DNA is een afkorting van de volledige Engelse naam Deoxyribo Nucleic Acid. Een ander voorbeeld zijn de eiwitten in ons lichaam. Dit zijn eigenlijk ook kleine nanomachines. De eiwitten zorgen op die schaal ook voor specifieke acties, zoals katalyse, transport van energie, communicatie en nog veel meer. DNA en eiwitten zijn niet alleen een inspiratiebron, maar kunnen ook gebruikt worden als een bouwsteen. Britse wetenschappers hebben bijvoorbeeld van een DNA molecuul een magnetische switch op nanoschaal gemaakt. Duitse wetenschappers hebben een nieuw soort eiwitmotor ontdekt: de zogenaamde forisomen. Dit zijn lange eiwitten die krimpen en uitzetten ten gevolge van de zuurgraad waarin ze zich bevinden.
12
De geneeskunde is een potentieel zeer waardevol toepassingsgebied van naonotechnologie. Met het ontwikkelen van betere en efficiëntere pillen en zogenaamde ‘labs-on-a-chip’ wordt het veel eenvoudiger om diagnoses te stellen en medicaties toe te dienen.
Voorbeeld van een lab-on-a-chip. Credits: Princeton University Lab on a chip? • Bekijk de volgende Animatie over nanogeneeskunde. (6 mb) Een ander futuristisch voorbeeld is een ‘nanocapsule’ die in staat is om kankercellen te vernietigen. Nanocapsules kunnen worden gebruikt bij kankerbestrijding door in de capsule, een gesloten membraanhulsje, een geneesmiddel te verpakken. Doordat de nanocapsule zich kan binden aan een kankercel ontstaat een moleculair paard van Troje dat werkt op de plaats waar het moet werken en op die manier minimale bijwerkingen heeft. Bij nanocapsules die voor gen-therapie worden ingezet wordt DNA verpakt in een membraan dat dankzij de eiwitadressering aankomt op de bestemde plaats om daar het DNA in de zieke cel af te leveren. Opgave Zoek uit hoe de list van het Paard van Troje werkte.
Slimme medicijnen Met slimme medicijnen worden pillen bedoeld die op het juiste moment de juiste dosering afgeven. Er wordt bijvoorbeeld gewerkt aan medicijnen die omgeven zijn door nanopartikels. Dit zijn vloeistofdruppeltjes die zijn omgeven door lipiden (lipiden zijn moleculen die een hydrofoob en een hydrofiel gedeelte hebben). Deze lipiden worden langzaam afgebroken in het lichaam. Hierdoor komt steeds een bepaalde hoeveelheid medicijn in het lichaam vrij. Dit zou je bijvoorbeeld kunnen toepassen op mensen die erg last van hooikoorts hebben. Door het immuunsysteem al lange tijd, gelijkmatig te prikkelen voor het hooikoortsseizoen, zal de allergische reactie veel minder hevig zijn. Met deze medicijnen zou je zover kunnen gaan dat ze zelfs concentraties van stoffen in je lichaam kunnen meten. Zo gauw er te weinig of teveel van een bepaalde stof aanwezig is, zal het medicijn stoffen afgeven.
13
Model van een lipide in water. Een cluster van drie watermoleculen wordt vervangen door een waterbolletje. De lipide wordt opgedeeld in een hydrofobe staart en een hydrofiele kopgroep die verend aan elkaar zit. Intermezzo: Lipiden in het celmembraan. Een celmembraan is opgebouwd uit een dubbele laag van lipiden. De cel is de belangrijkste eenheid in de biologie. Binnen in de cel vinden namelijk allerlei processen plaats die van levensbelang zijn. Elke cel wordt begrensd door een wand, het zogenaamde celmembraan. De belangrijkste functie van dit celmembraan is het selectief afschermen van de cel. Op deze manier kunnen in een cel processen plaatsvinden die van levensbelang zijn. Zonder het celmembraan zou de cel niet kunnen overleven. Opgave Lipide betekent vet. Is vet hydrofiel of hydrofoob? Geef een voorbeeld.
Nanofluids Naarmate nanotoepassingen steeds meer tot de mogelijkheden behoren, wordt het interessanter en belangrijker om moleculen te bestuderen in hun natuurlijke omgeving en dit is vaak in een vloeistofomgeving.
Een impressie van een bloedbaan met daarin een cel die mogelijk ziek is.
14
Op hele kleine schaal is de grootte van moleculen (opgelost in de vloeistof) ook belangrijk. Kijk maar naar onderstaand plaatje.
Je ziet dat grotere moleculen zich midden in het kanaal bevinden. Daar is de vloeistofsnelheid echter ook het grootst. Gemiddeld zullen deze zich sneller voortbewegen. Je kunt je voorstellen dat op een hele kleine schaal, grote moleculen zich één voor één door een kanaaltje moeten bewegen. Nanokanaaltjes maken Een manier om een kanaaltje te maken is de volgende. Je hebt een substraat en daarop maak je een laagje materiaal met een bepaalde vorm. Daarna giet je over deze vorm een ander materiaal. Als dit gebeurd is, verwijder je het oorspronkelijke laagje materiaal en houd je een kanaaltje over. Eigenlijk is er sinds men de techniek van het gieten van kerkklokken beheerst weinig veranderd, alleen is de schaal flink aangepast.
GIANT MAGNETIC RESONANCE De Nobelprijs voor Natuurkunde 2007 ging naar Albert Fert (Frankrijk) en Peter Grünberg (Duitsland). Zij kregen de prijs voor hun ontdekking van de 'giant magnetoresistance', reuzenmagnetoweerstand. In 1988 obeserveerden beide wetenschappers dit fysische effect onafhankelijk van elkaar. Giant magnetoresistance, kortweg GMR, is het effect dat zeer zwakke magnetische veranderingen leiden tot kleine verschillen in elektrische weerstand in magnetische nanomaterialen. Dat maakt een GMR-systeem tot de perfecte sensor om data uit te lezen van harddisks: data die magnetisch is opgeslagen kan worden omgezet in een elektrische stroom. In 1997 was de techniek op basis van GMR zover dat het voor het eerst gebruikt werd bij het uitlezen van harddisks. Sindsdien is het de standaarduitleestechniek geworden. Zelfs de meest recente uitleestechnieken zijn gebaseerd op GMR. Door gebruik te maken van het GMR-effect zijn de harddisks zoveel kleiner geworden de afgelopen jaren. Hoe compacter de harddisk, hoe kleiner en zwakker de magnetische gebiedjes op de disk zijn. De uitleessensoren moeten dan dus ook gevoeliger zijn. Juist het
15
GMR-effect maakt uitleessensoren zo gevoelig omdat deze sensoren ook zeer kleine magnetische veranderingen omzetten in een elektrische stroom. "Hun ontdekking was niet alleen een geweldige fundamentele doorbraak, maar vindt tegenwoordig toepassing in alle harddisks, als uiterst gevoelige sensor om de huidige, zeer kleine magnetische bits uit te kunnen lezen", reageert prof.dr. Theo Rasing, hoogleraar aan de Radboud Universiteit Nijmegen. "Dit is een prachtig voorbeeld van het samenspel tussen technologie en wetenschap. De nanogestructureerde materialen hebben echt nieuwe eigenschappen. De techniek is nodig om die dunne films op een zeer gecontroleerde manier kunnen maken. Ik vind deze prijs zeer verdiend!" "De ontdekking van het Giant Magnetoresistance-effect heeft geleid tot verdieping van onze fundamentele kennis over de processen die de elektrische weerstand in metalen bepalen. Het heeft de impuls gegeven tot de ontwikkeling van een geheel nieuw vakgebied, spinelectronica. In Nederland wordt dit op een buitengewoon hoog niveau beoefend, ondermeer in groepen aan de universiteiten van Eindhoven, Delft, Twente, Nijmegen en Groningen", aldus prof.dr. Reinder Coehoorn, werkzaam bij Philips Research Laboratories en deeltijdhoogleraar aan de Technische Universiteit Eindhoven. Ook hij vindt de prijs zeer welverdiend. "De ontwikkeling van ultrakleine magnetische sensoren op basis van het GMReffect heeft in uitzonderlijk korte tijd, minder dan 10 jaar, geleid tot wereldwijde toepassingen in harde-schijf systemen. Onder meer in vele Europese samenwerkingsprojecten, waarin ook industrieën zoals Philips participeerden, hebben de laureaten ook lange tijd na de ontdekking nog belangrijk bijgedragen aan de technologie-ontwikkeling. Philips Research ontwikkelt nu ultragevoelige biomedische sensoren op basis van GMR-materialen, voor toepassingen in de spreekkamer van een huisarts of bij patienten thuis." Opgaven
Magneten bedienen met licht Lees het artikel, zie bijlage Kimel (B4U,46) In een vaste schijf zitten rond de 2 biljoen magneetjes. a) b) c) d)
Bepaal de grootte-orde van de afmetingen van die magneetjes Waaruit bestaat zo’n magneetje? Bouw zelf een opstelling waarin je een magneet laat draaien Beschrijf zoveel mogelijk overeenkomsten tussen jouw opstelling en de harde schijf van een computer e) Beschrijf zoveel mogelijk verschillen tussen jouw opstelling en de harde schijf.
Hiphoppen Lees het artikel, zie bijlage (hiphop) of maak een link naar EXAKTUWIKI (www.exaktueel.nl) "Atomen dansen rond in de ruimte" staat in het artikel. a. Wat wordt er met "ruimte" bedoeld als je het hebt over de omgeving van de atomen?
16
b. Waarin verschilt deze "dans der atomen" voor gas, vloeistof en vaste stof?
Als je het hebt over gas, vloeistof en vaste stof gaat het om materialen in de macro-wereld om ons heen. In de natuurkunde zijn wetten afgeleid die beschrijven hoe de atomen in de materie zich op micro-niveau gedragen. In een laboratorium voor nanotechnologie bouwt onderzoeker Theo Rasing kleine structuren. Hij wil daarvoor atomen stil zetten. Het grote verschil met de macro-wereld is dat de bedoelde structuren zó klein zijn, dat de wetten, die de macro-wereld en de micro-wereld aan elkaar relateren, niet zonder meer gelden. c. Wat betekent het voor materie in de macro-wereld indien hierin de atomen stil zouden kunnen staan? d. Wat betekent het in de nanotechnologie dat de atomen stil staan?
17
