Icon up Overzicht

Nanotechnologie

Onderwerp: Atoomfysica, Elektrisch veld en magnetisch veld, Kern- & Deeltjesprocessen (vwo), Nanotechnologie, Quantumwereld, Signaalverwerking

De eerste cd-spelers waren bijna zo groot als een platenspeler. 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?

Toepassingen

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.

Atomen kunnen door een tunneling microscoop (STM) worden verplaatst. Dezelfde microsccoop maakte deze afbeelding. Bron: IBM.

Atomen stapelen

Ondertussen wordt er in laboratoria verder gewerkt. 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.

Wie weet kun je zo op die uiterst kleine schaal ooit elektronica maken. Zelf denkt prof. dr. Jan M. van Ruitenbeek van het Leids Instituut voor Onderzoek in de Natuurkunde, tevens programmaleider van een onderzoeksprogramma op het gebied van de atomaire en moleculaire nanofysica, dat daarvoor nog veel onderzoek nodig is. De atomaire bouwwerken zijn namelijk niet stabiel. Atomen zijn altijd wat beweeglijk, waardoor ze van hun plaats weggaan. Je moet dit soort bouwwerken daarom altijd bij uiterst lage temperaturen bewaren. Dan bewegen ze minder. Van Ruitenbeek werkt bij 270 graden Celsius onder nul: de temperatuur van vloeibaar helium.

Een bouwwerk van afzonderlijke atomen in de maak. Bron: IBM

Van Ruitenbeek ziet nog een ander praktisch probleem. Het is lastig om grotere atomaire bouwwerken te maken, bijvoorbeeld van een millimeter groot. Je moet dan miljarden en miljarden atomen één voor één opstapelen. Dat duurt eeuwen.

Er zijn verschillende ideeën om deze problemen te verhelpen. Niet alleen de lage temperaturen helpen om de bewegingen te bevriezen. Je kunt de atomen ook ketenen door ze te koppelen aan andere atomen in een sterke chemische binding.

Nanobuisjes

Een aanpak is om te proberen constructies voor superkleine elektronische schakelingen per atoom op te bouwen. Waarom zouden we niet leren van de natuur, die al elektrisch geleidende moleculen maakt? De onderzoekgroep van professor Cees Dekker aan de Technische Universiteit Delft timmert op dit terrein In Nederland stevig aan de weg. Zij bestudeert de elektrische eigenschappen van minuscule buisjes van koolstof, zogeheten nanobuizen. Elk buisje is effectief een molecuul. De buisjes blijken stroom te geleiden. Ze veranderen in een diode als je ze één keer knikt en in een transistor als je ze dubbelknikt.

Een STM-opname van een koolstofnanobuisje tussen twee elektroden Bron: vakgroep moleculaire biofysica, TU Delft.

Het maken van de buisjes gebeurt nog willekeurig. Dat levert een wirwar aan buisjes op, waaruit de onderzoekers exemplaren zoeken die voor hun experiment geschikt zijn. Het netjes fabriceren komt in de toekomst wel. In maart 2001 lukte het de Delftse groep voor het eerst logische schakelingen met nanobuisjes te maken. In verschillende combinaties van buisjes, elektroden en aangelegde elektrische spanningen wisten de onderzoekers verschillende soorten logische bewerkingen uit te voeren. Zo hebben ze met één nanobuis een zogeheten inverter gemaakt. Die zet een 0 in een 1 om en omgekeerd. Met twee evenwijdige nanobuizen maken ze een zogeheten NOR-poort. Elke andere variant (AND, OR, NAND, XOR etc.) is dan ook mogelijk. Met twee inverters hebben ze een zogeheten SRAM (static random access memory) gemaakt, een eenvoudige flipflop geheugencel. Het toonaangevende Amerikaanse wetenschappelijke weekblad

Een nanobuisje is aan twee elektroden vastgemaakt. Als het buisje wordt geknikt, blijkt het als een diode te geleiden. Bron: vakgroep moleculaire biofysica, TU Delft.

De tekst is een bewerking van het artikel: "De kleinste deeltjes" uit Op avontuur in de wetenschap, Bram Vermeer. Uitgever Stichting FOM, Utrecht ISBN 90-803011-3-2