Nano, naar het Griekse woord voor dwerg: een voorvoegsel dat een extreem kleine schaal uitdrukt, maar tevens de belofte van een scala aan veelbelovende nieuwe toepassingen in zich draagt. Niet slechts een verdergaande miniaturisering van elektronica, maar radicaal andere mogelijkheden en materialen met bijzondere eigenschappen. Wat maakt nu nanotechnologie zo bijzonder?
Iedereen die koffie zet weet dat je je koffiebonen eerst moet malen voordat de bijzondere aroma’s uit de koffieboon vrijkomen. Elke keer dat je de koffieboon in tweeën deelt, blijft het totale volume van de koffie gelijk, maar neemt het oppervlak van de boon toe (het snijvlak komt erbij). Geleidelijk aan wordt de koffie steeds fijner, en zal het resultaat steeds beter gaan smaken. Voor nanotechnologie is dat net zo: wanneer je materialen in kleine stukjes gaat opdelen, neemt het belang van het oppervlak toe ten opzichte van het volume en veel materialen krijgen hierdoor andere eigenschappen. Hiervan wordt gebruik gemaakt in bijvoorbeeld het ontwerp van efficiëntere katalysatoren, waarvan juist het oppervlak een grote rol speelt.
Daarnaast biedt nanotechnologie de mogelijkheid om gebruik te maken van quantumeffecten; Op een kleine schaal blijken eigenschappen opeens niet meer zo eenduidig te zijn. Neem bijvoorbeeld het draaien van een tol, dat gebeurt óf linksom óf rechtsom. In de quantumwereld daarentegen, kan een elektron tegelijkertijd beide kanten opdraaien. En dat een electron überhaupt draait is ook een quantumeigenschap, waarvan dankbaar gebruikt gemaakt wordt voor nieuwe computergeheugens met veel grotere capaciteit.
Nano: 9 nullen achter de komma
Nanotechnologie gaat dus over het manipuleren van materialen op de nanometerschaal, waardoor verassende nieuwe toepassingen mogelijk worden. Dit klinkt eenvoudig, maar de technische uitdagingen zijn enorm. We hebben het over miljoensten van millimeters, het domein van enkele tot honderden moleculen. Om een idee te krijgen van dit schaalverschil, kun je het vergelijken met het boetseren van een kunstwerk op de maan, gezeten in de stoel waarin je nu dit stukje leest.
Twee recente uitvindingen hebben het werken op de nanometerschaal enorm vooruitgeholpen. Want hoewel we al heel lang van het bestaan van atomen en moleculen afwisten, konden we ze nooit direct afbeelden. De uitvindingen van de scanning tunneling microscoop (STM) (1981) en de atomaire krachtmicroscoop (AFM) (1986) hebben hierin verandering gebracht. Beide microscopen hebben gemeen dat ze met een minuscuul klein naaldje heen en weer over een oppervlakte scannen en hiermee zelfs de kleinste details van het oppervlakte aftasten. Vergelijk het met een blinde die zijn vinger gebruikt om een braille tekst te lezen, alleen zijn deze apparaten zo gevoelig dat ze ook individuele atomen op een oppervlakte kunnen waarnemen. De implicaties van deze technieken zijn zo groot dat de uitvinders van de STM al 5 jaar na hun uitvinding de Nobelprijs ontvingen, een ongekend korte tijd!
Behalve het waarnemen van individuele atomen, is het met deze instrumenten ook mogelijk gebleken om individuele atomen te verplaatsen! In 1989 gebruikte onderzoeker Don Eigler van IBM de tip van een STM om individuele atomen over een oppervlak heen en weer te schuiven, en zo de naam van zijn werkgever uit te spellen. Slechts 35 atomen waren hiervoor nodig, waarschijnlijk de kleinste reclame-uiting ooit.
Op deze manier je baas op een voetstuk plaatsen is ongetwijfeld nuttig voor de kerstgratificatie, maar het is van weinig praktische waarde als je atomen één voor één moet manipuleren. Eén van de grote praktische uitdagingen in de nanotechnologie is dan ook een efficiënte fabricage van nanostructuren. Twee methoden zijn gangbaar: in de top-down methode wordt uitgegaan van een stuk basis materiaal waarin, met behulp van dezelfde technieken als in de chip industrie, de gewenste structuur wordt aangebracht. Denk aan het boetseren van het kunstwerk op de maan. Een radicaal andere methode probeert structuren bottom-up te construeren uit de bouwstenen zelf. Stel je hierbij voor dat je het kunstwerk zo ontwerpt dat het zichzelf opbouwt uit legostenen. Hierbij is zelfassemblage essentieel, waarbij de individuele bouwstukken elkaar als ‘vanzelf’ kunnen vinden.
Dit laatste raakt aan het idee over nanotechnologie dat publiekelijk de meeste reacties teweeg brengt; zelfstandig opererende robotjes van nanometer afmetingen. Deze zouden ongekende mogelijkheden bieden, bijvoorbeeld op het gebied van de medische technologie. In de jaren ’60 science fiction film “Fantastic voyage” bijvoorbeeld, wordt een minuscule onderzeeër in de bloedbaan van een wetenschapper geïnjecteerd om een bloedstolsel te verwijderen. Voor mogelijke negatieve aspecten wordt gewaarschuwd in het boek “Prey” van Michael Crichton, waarbij een zwerm zichzelf reproducerende nanorobotjes het leven op aarde bedreigt. Gelukkig of niet, nanorobotjes zoals in de film of het boek zijn voorlopig (of misschien wel altijd) nog science fiction.
Biology is nanotechnology that works
Bovenstaande uitspraak van de Amerikaanse wetenschapper Tom Knight illustreert dat ook op nanotechnologiegebied de natuur ons nog wel eens de baas is. Hoewel we zelf nog lang niet zover zijn dat we nanorobotjes kunnen maken, laat staan robotjes die zichzelf kunnen reproduceren, vinden we in de biologie wel tal van inspirerende voorbeelden. In elke cel vinden we tientallen biomoleculen die een scala van mechanische taken vervullen, zoals transport, assemblage, of celdeling.
Het meest fascinerende voorbeeld hiervan is een rondraaiend motortje, volledig gemaakt van eiwit, genaamd ATP-synthase. Dit eiwitcomplex van slechts tien nanometer grootte bestaat uit een rotatiemotor rondom een centrale as en lijkt in vele opzichten op een rotatiemotor zoals we die ook om ons heen vinden. Op een ingenieuze manier wordt in dit motortje met een mechanisch proces (een rotatieslag van de centrale as) een chemische reactie aangedreven, namelijk de synthese van ATP, het energiemolecuul van de cel. Op dit moment zijn miljarden van deze motortjes in uw cellen aan het draaien om de energie uit uw ontbijt om te zetten in ATP. Onderzoekers proberen deze, en andere, biologische motoren te gebruiken voor nanotechnologische toepassingen.
Koolstof nanobuisjes, buckyballs en grafeen
De echte publieksiconen van de nanotechnologie zijn misschien toch wel de fullerenen, een bijzondere klasse van macromoleculen die slechts bestaan uit koolstof en sinds de jaren 90 voortdurend onderwerp van onderzoek zijn. In 1985 werd de buckybal ontdekt (Nobelprijs 1996), een molecuul opgebouwd uit 60 koolstofatomen in de vorm van een voetbal. Een andere en meest bekende verschijningvorm van de fullerenen, is het koolstof nanobuisje.
Koolstof nanobuisjes (1991) hebben een doorsnede van een nanometer en een lengte die kan variëren van micrometers tot millimeters. Deze buisjes hebben sensationele eigenschappen: ze zijn een van de sterkste materialen op aarde, erg stabiel en vertonen bijzondere elektrische geleidingseigenschappen. Afhankelijk van hun structuur kunnen koolstof nanobuizen stroom geleiden zoals een metaal, of zoals een halfgeleider (waarvan de transistor is gemaakt). Het is dan ook niet verbazend dat veel onderzoek zich richt op het gebruik van koolstof nanobuisjes als onderdeel voor electronische schakelingen. Toen een team van Delftse onderzoekers onder leiding van Cees Dekker de eerste transistor en logische schakelingen (basiseenheden van een computer) maakte van koolstof nanobuisjes heeft dit niet voor niets een wereldwijde golf van belangstelling teweeg gebracht.
Koolstof nanobuisjes blijken ook het geheim (letterlijk!) van de middeleeuwse smid te zijn geweest. Alom gevreesd waren de Damascaanse zwaarden waarmee de kruisvaarders op hun tochten te lijf werden gegaan door de moslims. De legendarische eigenschappen van deze zwaarden–vlijmscherp, ontzettend hard, maar toch buigzaam–blijken het resultaat te zijn van de speciale composiet structuur van het metaal, bestaande uit… koolstof nanobuisje en cementiet-nanodraden.
Tenslotte is er recent (in 2005) een vorm van koolstof ontdekt waarvan met tot voor kort dacht dat het niet kon bestaan; Grafeen, een plat vlak van koolstofatomen van slechts één atoom dikte. Dit materiaal heeft zeer bijzondere geleidingseigenschappen en kan interessant zijn voor nieuwe elektronica. Vooralsnog zijn er echter nog veel open vragen over dit materiaal, en zal er de komende tijd vooral veel fundamenteel onderzoek aan gebeuren.
Wat kunnen we nog verwachten?
Zoveel nanotechnologen, zoveel antwoorden op deze vraag. Sommigen waarschuwen voor een hype, anderen wijzen op de unieke mogelijkheden die aan de horizon gloren: productie zonder afval, slimme implantaten voor biomedische toepassingen, of nieuwe materialen met superieure eigenschappen. Nano-onderzoek richt zich op natuurkunde, scheikunde en biologie, dus op al deze gebieden, en vooral op de grensvlakken, kunnen we dus ontwikkelingen verwachten.
Een ding staat vast. We beginnen nog maar net, en veel onderzoek is nog nano-wetenschap; nog steeds worden er nieuwe effecten ontdekt, waarvan de toepasbaarheid pas zal blijken wanneer we ze beter begrijpen. Toch zien we nu al dat nanotechnologie in veel dagelijkse producten zit verwerkt. Het gaat dus razendsnel, maar de echte impact zal in de komende jaren nog moeten blijken. Waar hoofdstukken over electromagnetisme en chaos de komende eeuw weinig zullen veranderen, zal dit hoofdstuk voor de bètacanon van 2100 dus zeker grondig herzien moeten worden.
Tekst: Martin van den Heuvel (1978)
Relevante boeken
Worden in de loop van 2020-2021 toegevoegd (3 september 2020)
Homepage Bètacanon
(zondag 23 december 2007)
