Nanotechnologie

Dr.ir. Sense Jan van der Molen
Universitair Docent experimentele natuurkunde
Universiteit Leiden

Nieuwe mogelijkheden dankzij kleine bouwsteentjes

Ik doe onderzoek binnen de nanowetenschappen. In een notendop is het idee achter dit vakgebied dat we nieuwe mogelijkheden kunnen creëren door superkleine bouwsteentjes in te passen in grotere systemen. Dat leidt vaak tot nieuwe wetenschappelijke inzichten, maar soms ook tot nieuwe toepassingen. In het laatste geval spreken we van nanotechnologie.

De bouwstenen die wij gebruiken en onderzoeken zijn meestal tussen de 1 en 50 nanometer groot, wat de term ‘nano’ verklaart (‘dwerg’ in het Grieks). Een nanometer is erg klein, nl. een miljoenste van een millimeter. De vraag is natuurlijk wat er zo bijzonder is aan nanosystemen, in vergelijking met bijvoorbeeld microsystemen (1000x groter). De crux zit hem in de kwantummechanica. Een gouden balletje van 1 cm (in doorsnede) en een van 1 micrometer gedragen zich vrijwel hetzelfde. Het gedrag van een gouden balletje van 1 nanometer wordt echter bepaald door de kwantummechanica. Die zegt dat alle deeltjes die wij kennen, bijvoorbeeld de elektronen die elektrische stroom verzorgen, zich ook als een golf kunnen gedragen. Een gevolg daarvan is dat de elektronen in een heel klein object, zoals een atoom, een molecuul of een gouddeeltje van 1 nanometer, niet de bewegingsvrijheid hebben die ze in een grote goudbol wel hebben. Alleen bepaalde ‘toestanden’ zijn mogelijk. Een goudbolletje van 1 nanometer heeft daarom heel andere eigenschappen dan een goudbolletje van 1 micrometer. Zelfs bij kamertemperatuur. Het fascinerende van de nanowetenschappen is dat we deze nieuwe eigenschappen niet alleen leren begrijpen, maar ze ook naar onze hand leren zetten en toepassen.

Mijn onderzoek binnen de nanowetenschappen richt zich op elektrische geleiding door moleculen. Het leuke van mijn werk is dat het twee gebieden die ik altijd al interessant vond, combineert. Mijn eigen gebied, de natuurkunde en specifiek de natuurkunde van elektrische geleiding. En de scheikunde. Eigenlijk is de scheikunde een wetenschap die altijd al ‘nano’ was, zelfs voor de term bestond. Moleculen zijn, bijna per definitie, klein (uitzonderingen, zoals DNA, daargelaten). In de laatste jaren is het chemici gelukt om moleculen te maken (te ‘synthetiseren’) die een speciale functie hebben. Een spannend voorbeeld zijn de zogenaamde moleculaire schakelaars.

De droom die we hebben is dat we ooit nieuwe transistoren, geheugenelementen (schakelaar aan is een ‘1’, schakelaar uit is een ‘0’) e.d. kunnen gaan maken met moleculen i.p.v. met silicium. Hierdoor zouden we, op papier, computerchips kunnen maken die honderden keren kleiner zijn dan de huidige. Daarbij komt dat de moleculen relatief goedkoop zijn en, niet onbelangrijk, identiek zijn. Vanuit natuurkundig opzicht wordt ons onderzoek ook gedreven door een sterke nieuwsgierigheid. Ik en mijn collega’s willen graag weten en begrijpen hoe elektrongolven zich voortbewegen in zulke kleine, maar toch al vrij ingewikkelde, moleculen.

De droom is groot en de praktijk blijkt weerbarstig. Het is natuurlijk niet erg gemakkelijk om een molecuul van 2 nanometer tussen twee goudcontacten te hangen. Daarvoor hebben we over de laatste 10 jaar speciale technieken moeten ontwikkelen. De laatste jaren zijn er daardoor belangrijke successen geboekt. Zo is overtuigend aangetoond dat het inderdaad mogelijk is om elektrische schakelaars te bouwen gebaseerd op moleculen. Deze schakelaars kunnen chemisch, elektrisch of met licht (eigen werk in 2009) worden aangestuurd. Ze vormen daarmee een fantastisch voorbeeld van nanotechnologie. Op dit moment is er veel onderzoek naar moleculen waarin de elektrische geleiding nog abrupter kan worden aan of uitgeschakeld. Deze moleculen zijn gebaseerd op iets wat kwantuminterferentie heet. Het is wat lastig uit te leggen, maar het komt erop neer dat de elektrongolven die door een molecuul lopen elkaar kunnen versterken of juist helemaal kunnen laten verdwijnen. In het eerste geval loopt er veel stroom, in het twee geval helemaal niet. Een groot verschil derhalve, puur gebaseerd op kwantummechanica. In Leiden hebben we de eerste stappen gezet: onze laatste metingen geven een sterke indicatie dat kwantuminterferentie kan worden aangezet en uitgezet bij kamertemperatuur (publicatie in 2012). Ook dit onderwerp vormt weer een mooi voorbeeld van een wetenschappelijk fascinerend vraagstuk dat mogelijk tot toepassingen leidt. Het is deze combinatie die de nanowetenschappen zo spannend maakt.

De grote vraag blijft of computers gebaseerd op moleculen ooit de huidige chiptechnologie zullen kunnen vervangen. Het blijkt behoorlijk lastig om moleculen te gebruiken in toepassingen die jaren mee moet gaan. De verbindingen tussen de moleculen en de elektrodes gaat te snel kapot. Misschien moeten we zelf op een heel andere manier denken. Letterlijk. Onze hersenen zijn namelijk ook moleculaire computers. En niet de minste.


Andere bijdragen in Computer van de toekomst, Leven maken, Natuur- en Sterrenkunde