De grote hype van wetenschap op het miniscule vlak

Daniël Vanmaekelbergh maakt nieuwe materialen op nanoschaal

Erik Hardeman

Tevreden over de korte demonstratie begint Vanmaekelbergh zijn verhaal in een tongval, die ondanks een zeventienjarig verblijf in Utrecht nog niets van zijn Vlaamse sappigheid heeft verloren. Dat verhaal gaat over zijn activiteiten in de nanowetenschap, de hype van dit moment zoals hij het eerder dit jaar in zijn oratie noemde. Vandaag vat hij zijn werk al even kernachtig samen: "In feite is dit een constructiewerkplaats voor nieuwe materialen. Neem de vloeistoffen in de twee flesjes. Dat zijn allebei oplossingen van cadmiumselenide kristallen, die wij hier in ons lab gemaakt hebben. Toch zijn ze verschillend van kleur. Hoe dat komt? Simpel: het ene flesje bevat kristallen die wij een doorsnee van drie nanometer hebben gegeven, terwijl de kristallen in het andere flesje vijf nanometer groot zijn. Dat ogenschijnlijk minieme verschil in omvang heeft een enorm effect op het licht dat geabsorbeerd en uitgezonden wordt."

Zie hier in een notendop de wonderlijke wereld van de nanowetenschap, die structuren en systemen bouwt en bestudeert met een omvang van tussen 1 en 100 nanometer (één nanometer is een miljoenste van een millimeter). "Wij proberen uit atomen en moleculen nieuwe, niet in de natuur voorkomende kristallen te laten ontstaan met zeer specifieke optische, elektrische en magnetische eigenschappen", legt Vanmaekelbergh uit. "Die eigenschappen worden ook bestudeerd door fysici, maar dan meestal in veel grotere structuren. Zij vinden de schaal waarop wij werken heel klein, terwijl chemici die juist groot vinden. Wij zitten daar zo’n beetje tussenin."

Door de door hen gemaakte kristallen op tal van manieren te manipuleren - bijvoorbeeld door hun omvang en vorm te variëren of door er elektronen aan toe te voegen - hopen Vanmaekelbergh en zijn collega’s een beter begrip te krijgen van processen op atomaire schaal. Ook verwachten zij een revolutie te kunnen bewerkstelligen in het materiaalgebruik in onder meer de elektronica en de datacommunicatie, waar licht steeds meer de plaats van elektriciteit gaat overnemen. Vandaar dat naast de elektrische eigenschappen van materialen hun optische eigenschappen steeds belangrijker worden.

Snaar

Zoals blijkt uit het experiment met de twee flesjes cadmiumselenide zijn die optische eigenschappen afhankelijk van de omvang van de gevormde kristallen. Dat komt omdat op deze uiterst kleine schaal de wetten van de quantummechanica gelden. Daarom worden de kristallen die Vermaekelbergh en zijn collega’s construeren ook wel quantumdots genoemd. Hun bijzondere eigenschappen hangen samen met de golflengte van de door de onderzoekers erin ‘opgesloten’ elektronen. Omdat de golf van een elektron niet buiten het kristal kan bestaan en dus gebonden is aan de beschikbare ruimte, geldt: hoe kleiner het kristal, hoe kleiner de golflengte van het elektron en dus hoe hoger zijn energie. "Vergelijk het maar met een snaar. Hoe korter die is, des te hoger de toon die hij produceert."

Enthousiast wijst Vanmaekelbergh op de twee flesjes. "Het fantastische is dat we precies kunnen bepalen wat voor eigenschappen een door ons gemaakt kristal heeft, simpelweg door zijn omvang te variëren. In de natuur heeft elk materiaal met een bepaalde chemische structuur één en niet meer dan één set eigenschappen. Een robijn is rood en cadmiumselenide is een isolator die niet reageert op licht, om maar iets te noemen. Voor de door ons gemaakte kristallen geldt dat niet meer. Dankzij de nanotechnologie kunnen we een kristal elke kleur geven die we willen. En door er elektronen aan toe te voegen kunnen we cadmiumselenide veranderen van een isolator in een halfgeleider die gaat fluoresceren als hij wordt belicht. En dat allemaal met grote precisie. Dat is de enorme aantrekkingskracht van dit soort systemen."

En dat is nog maar het begin, want de volgende stap is om meerdere nanokristallen aan elkaar te koppelen. Met name op dat gebied heeft de Utrechtse onderzoeker de afgelopen jaren pionierswerk verricht. "Ons doel is om kunstmatige vaste stoffen te maken, bijvoorbeeld metalen met specifieke eigenschappen. Dat onderzoek staat nog in de kinderschoenen, maar wij lopen er duidelijk mee voorop. In Nederland is Delft weliswaar het mekka van de nanowetenschap, maar dit is echt een Utrechts speerpunt. In totaal zijn er op dit gebied wereldwijd tot nu toe maar tien publicaties verschenen, vijf van ons en vijf van een groep in het James Franck Institute in Chicago."

Cd-lasers

Hoewel Vanmaekelbergh benadrukt dat hij vooral onderzoek doet om meer te weten te komen over de fysische en chemische eigenschappen van quantumdots, ontkent hij niet dat zijn werk ook een groot praktisch belang heeft. Dankzij hun vermogen om licht te absorberen zouden kunstmatige geproduceerde nanokristallen wel eens een prima alternatief kunnen worden voor huidige lichtbronnen zoals optische lasers en de licht-emitterende diodes die in een cd-speler de cd aftasten. Maar ook slimme zonnecellen die geen energie laten weglekken, geheugens gebaseerd op magnetische nanostructuren en ultrasnelle quantumcomputers gaan op termijn zeker tot de praktische toepassingen van de nanotechnologie behoren, verwacht hij.

Kom hem echter niet aan boord met verhalen over nanorobots en andere gevaren die aan zijn werk zouden kleven, want daar ergert hij zich groen en geel aan. "Nanodeeltjes een gevaar voor onze gezondheid? Nanorobots die de heerschappij op aarde gaan overnemen? Aperte onzin. De nieuwe materialen die wij maken, ontstaan doordat we het natuurlijke kristallisatieproces een handje helpen. Dat is alles. Het is echt niet zo dat wij zelf met atomen en moleculen aan de slag gaan. Ja inderdaad, met de Scanning Tunneling Microscoop (zie kader) kunnen we atomen manipuleren. Maar op dit moment kost dat nog zoveel moeite dat we een hele dag nodig hebben om met atomen één letter te vormen. Wie op die manier een transistor wil bouwen, heeft meer tijd nodig dan de leeftijd van het heelal. Laat staan dat we een legertje nanorobots zouden kunnen maken, zoals hier en daar wordt gesuggereerd.

"Of er dan helemaal geen risico’s aan het werken met nieuwe, onbekende materialen verbonden zijn? Misschien wel, en daar moet dan ook goed naar gekeken worden. Ik zou alleen niet weten waarom materialen gemaakt van nanokristallen gevaarlijker zijn dan andere nieuwe materialen. Dat is een fabeltje dat de wereld in is geholpen door mensen die te veel tweederangs science fiction hebben gelezen. Biologische virussen bijvoorbeeld zijn oneindig meer sophisticated dan onze simpele kristallen. Manipulaties met virussen lijken mij potentieel dan ook veel gevaarlijker te zijn voor de mens. Laat men daar maar eens een goed debat over houden.”

Scanning Tunneling

Al in 1959 rekende de Amerikaanse fysicus Richard Feynman zijn gehoor voor dat de volledige Encyclopedia Brittanica op de kop van een speld kon worden geschreven, wanneer elke letter met behulp van dertig atomen werd uitgebeeld op een oppervlak van acht bij acht nanometer. Maar het duurde tot in de jaren negentig voordat zo’n letter ook echt werd gemaakt. Medewerkers van IBM verschoven toen 35 xenon-atomen zo dat de naam van hun bedrijf zichtbaar werd. Die unieke prestatie was te danken aan de uitvinding in 1981 van de Scanning Tunneling Microscoop (STM), een vernuftig apparaat met een punt van een paar atomen dik, die op een hoogte van minder dan een nanometer een oppervlak kan aftasten en voor het eerst in de geschiedenis individuele atomen en moleculen op een beeldscherm zichtbaar maakte.

Het apparaat maakte het ook mogelijk om atomen te verschuiven en zo kristallen te bouwen, maar al snel werd duidelijk dat die kristallen zo instabiel waren dat de STM voor dat doel minder geschikt bleek. Voor materialenonderzoek is de microscoop echter onmisbaar. Ook het Debye Instituut telt er inmiddels twee, waarvan de meest recente (kosten 500.000 euro) in staat is om een kristal te laten afkoelen tot onder 25 graden Kelvin ofwel min 248 graden Celsius. Voordeel daarvan is dat de te bestuderen quantumverschijnselen zich bij die temperatuur ook in grotere kristallen voordoen.

Voor het maken van zijn nieuwe structuren is Vanmaekelbergh voorlopig dus nog aangewezen op de natuurlijke neiging van atomen en moleculen om kristallen te vormen. De grote uitdaging daarbij is om dat proces zodanig te sturen dat de moleculen in een vooraf bepaalde vorm worden gedwongen. Dat daar creatief denkwerk voor nodig is, mag blijken uit de productie van optische nanolasers van indiumfosfide.

Vanmaekelbergh: "Voor dat doel maken we gebruik van het feit dat indiumfosfide kristallen onder sommige omstandigheden in één bepaalde richting groeien. Het worden een soort pilaartjes. We kregen daar grote belangstelling voor, toen duidelijk werd dat ze onder bepaalde omstandigheden als nanolasers kunnen fungeren. Dat werkt alleen effectief als de diameter van de InP draad kleiner is dan twintig nanometer, ongeveer duizend keer dunner dan een haar dus.

"Dat probleem hebben wij samen met onderzoekers van Philips opgelost met behulp van gouddruppeltjes, die fungeren als katalysatoren voor de groei. Eerst wordt een dun goudlaagje van pakweg twee Angstrom aangebracht op een ondergrond en dat wordt vervolgens verhit, waardoor het goud smelt en kleine druppeltjes vormt met een doorsnee van ongeveer dertig nanometer. Als we daar indium- en fosforatomen in gasvorm aan toevoegen, condenseert dat gas in het gouddruppeltje. Als we genoeg gas toevoegen, raakt de vloeistof op een gegeven moment verzadigd. Gevolg is dat het indiumfosfide precies onder het gouddruppeltje neerslaat en het door ons gewenste kristal gaat vormen. Dankzij deze aanpak heeft dat kristal precies de dikte van het gouddruppeltje, terwijl het door blijft groeien totdat we de aanvoer van de gasvormige atomen stoppen."

Nano in Utrecht

Het Utrechtse nano-onderzoek vindt plaats in het Debye Instituut, het onderzoeksinstituut van de faculteiten Scheikunde en Natuur- en Sterrenkunde. Binnen dat instituut zijn vijftien hoogleraren en ongeveer 150 onderzoekers en promovendi in acht groepen actief op het gebied van de nanowetenschappen.

Groep 1: Gecondenseerde materie en grensvlakken (optische en elektrochemische aspecten van quantumdots, zie elders in dit blad)

Groep 2: Zachte gecondenseerde materie en biofysica (fotonische kristallen, nanokristallen voor onder meer labelingstoepassingen binnen de microscopie)

Groep 3: Fysische en colloïd chemie (onder meer zelf-assemblage van nanoclusters en  nanokristallen)

Groep 4: Fysisch-organische chemie (onder meer koppeling van nanokristallen voor elektronen overdracht)

Groep 5: Homogene katalyse en synthese op basis van metalen (het binden van katalytisch interessante groepen aan organisch oplosbare nanodeeltjes)

Groep 6: Oppervlakken, grensvlakken en 'devices' (silicium lagen op nanoschaal voor onder meer zonnecel onderzoek)

Groep 7: Anorganische chemie en katalyse (materialen met poriën van nano-afmetingen voor katalysatoren)

Groep 8: Atoom optica en ultrasnelle dynamica (ultrasnelle optische eigenschappen van nanomaterialen)

Utrecht loopt nano-subsidie mis

Wie in Nederland nanotechnologie zegt, denkt allereerst aan Delft. Ook universiteiten als Twente en Groningen hebben een naam op dit nieuwe wetenschapsgebied hoog te houden. Maar Utrecht? ‘Dat is toch die bio-medisch georiënteerde universiteit, waar ook nog wat geowetenschappers, een handvol taalkundigen en een Nobelprijswinnaar in de theoretische fysica rondlopen? Vertel me niet dat ze daar ook al aan nanowetenschap doen.’ Misschien wat al te karikaturaal, maar tot ergernis van fysicus Alfons van Blaaderen dreigt dat wel het beeld te worden dat over de Universiteit Utrecht bestaat, nu Utrecht geen cent heeft gekregen van de 95 miljoen euro, waarmee het Ministerie van Economische Zaken het Nederlandse nano-onderzoek wil stimuleren.

“Men heeft in het Bestuursgebouw zitten slapen”, is het korte en krachtige oordeel van de hoogleraar experimentele fysica. “Eind 2000 heeft Economische Zaken een oproep laten uitgaan voor onderzoeksideeën op het terrein van de nanowetenschappen. Die oproep moet ook in het Utrechtse Bestuursgebouw terecht zijn gekomen, maar wij hebben er als onderzoekers nooit iets van gehoord. Toen we er lucht van kregen, hebben we nog geprobeerd om aan te haken, maar op dat moment waren we al te laat, zo werd ons duidelijk gemaakt.”

Niet alleen de miljoenen die het Utrechtse nano-onderzoek misloopt, zitten Van Blaaderen dwars, maar ook de beeldvorming als zou Utrecht op dit terrein geen rol spelen. “Volgens het ministerie representeert NanoNed, zoals het initiatief inmiddels heet, vrijwel het hele Nederlandse toponderzoek op het gebied van de nanowetenschappen. Dat is aantoonbaar onjuist, want naast Utrecht ontbreekt ook Leiden in de voorstellen. Maar ja, als zo’n beeld eenmaal een eigen leven gaat leiden, probeer het dan maar eens ongedaan te maken.”

De suggestie dat Utrecht op dit terrein misschien minder toonaangevend is dan hij denkt, wijst Van Blaaderen van de hand. “De nanogroepen in het Debye Instituut hebben in recente onderzoeksvisitaties uitstekend gescoord. En trouwens, als we geen kwaliteit zouden hebben, hoe valt dan ons succes te verklaren in verschillende Europese programma’s op dit gebied? Nee, dat we naast de pot hebben gegrepen, komt puur door een verkeerde inschatting op bestuurlijk gebied. Volgens één van mijn collega’s in den lande zou een Utrechtse ambtenaar hebben gezegd: 'ach die nanowetenschap, daar doen wij hier toch niets aan'. Zoiets is toch onvoorstelbaar?”

Rector-magnificus Gispen reageert verbaasd op de uitval van de natuurkundehoogleraar. "Toen wij eind 2000 op de hoogte werden gesteld van het initiatief van EZ, hebben we zoals gebruikelijk meteen de betreffende faculteitsbesturen geïnformeerd. Vanaf dat moment lag het initiatief om actief te worden in het vormen van consortia op een van de themavelden bij de betreffende onderzoeksgroepen. Ik betreur het zeer dat het Utrechtse onderzoek op het terrein van de nanotechnologie uit de boot is gevallen. We zijn nu druk bezig om een gezamenlijke strategie van de bètafaculteiten te ontwikkelen. In dat kader komt ook weer naar voren dat onderzoek op het terrein van nanomaterialen een sterk punt is van Utrecht. We zullen er alles aan doen om dit speerpunt goed op de kaart te zetten."