Nano-onderzoek staat al jaren in felle schijnwerpers, maar onderzoeker Jaime Gomez Rivas van het instituut voor Atoom- en Molecuulfysica blijft er nuchter onder. ’Er ligt geen roadmap klaar waarmee mijn nanodraadjes naar de markt kunnen. Dat soort voorspellingen blijken vaak pure leugens.‘
’Ruimte zat daar beneden‘, riep natuurkundige Richard Feynman uit in 1959, een tijd dat geen mens ooit van nanotechnologie had gehoord. Zijn visie om individuele atomen en moleculen te manipuleren tot nano-objecten vormde het officieuze startschot van het onderzoeksgebied. Officieus, omdat de geschiedschrijving 1981 aanwijst als het jaar waarin de nanotechnologie echt van start ging. Twee onderzoekers van IBM openden toen het bal met de uitvinding van de Scanning Tunneling Microscope (STM).
Gerd Binnig en Heinrich Rohrer ontdekten een manier om met een minuscuul naaldje een oppervlak af te tasten. Door de veranderingen in een stroompje tussen naald en oppervlak heel nauwkeurig bij te houden als functie van de positie, geeft de STM eigenlijk een tweedimensionale representatie van de elektronendichtheid aan het oppervlak. En belangrijker, ook van wat daarop ligt. Tegenwoordig ontwaart de techniek structuren met een resolutie kleiner dan 0,2 nanometer. Voor het eerst konden onderzoekers individuele objecten kleiner dan, pak hem beet, honderd nanometers ’zien‘. De implicaties die daaraan verbonden zijn, worden vaak aangedragen om de uitvinding van het nanotijdperk te rechtvaardigen.
Dat is niet vanzelfsprekend, want onderzoekers hielden zich ook in 1981 al sinds jaar en dag met wetenschap bezig die met een gerust hart het stempel ’nano‘ mag krijgen. Organisch chemici sleutelden bijvoorbeeld al sinds het eind van de negentiende eeuw moleculen in elkaar die vijf tot twintig nanometer meten. De ontdekking van DNA en enzymen zette moleculair biologen midden in het nanodomein. In die zin was de nanotechnologie al lang begonnen zelfs voordat Feynman zijn beroemde uitspraak deed, laat staan voordat IBM de STM aan de wereld toonde.
Maar met dimensies alleen valt nanotechnologie als vakgebied niet te definiëren. Zonder instrumenten als de STM moesten wetenschappers het met indirecte informatie stellen die bovendien over een groot aantal deeltjes is uitgemiddeld. Alsof ze in het pikkedonker de werking van een horloge moesten achterhalen. De uitvinding van de STM deed het licht aan. Vandaar de kwalificatie als officieel startschot van het nanotijdperk.
In het kielzog van Binnigs en Rohrers doorbraak componeerde Eric Drexler een lofzang die we vandaag de dag nog tot treurens toe in de media mogen vernemen. De ’symfonie‘ van de Amerikaanse nanovisionair zette de toon voor jarenlang gewag van gouden bergen en futuristische vergezichten. Te weinig heeft de nanogemeenschap die in perspectief geplaatst. Het is daarom begrijpelijk dat een deel van het publiek zijn aandacht of zelfs geduld heeft verloren.
Lering uit het verleden
Een gesprek met Jaime Gomez Rivas is daarom een verademing. Ook al is hij als echte nanowetenschapper werkzaam aan het instituut voor Atoom- en Molecuulfysica (Amolf) op een gebied dat rustig hot mag heten, hij benadrukt het fundamentele karakter van zijn onderzoek. Hij zou de ene na de andere prachtige toepassing kunnen oplepelen, maar hij houdt zich op de vlakte. ’Mogelijkheden genoeg, maar het is onmogelijk om te voorspellen welke op afzienbare termijn doorgroeit naar een concrete toepassing.‘
Gomez Rivas verwijst naar het kleine debacle van de fotonische kristallen. ’Een paar jaar geleden lagen daar bijna een soort roadmaps voor klaar die de time-to-market schetsten. Maar rekenen met fotonen in plaats van elektronen bleek toch een stuk moeilijker dan gedacht. Het gaat nog heel lang duren voordat optisch CMos een feit is.‘ Hij voegt er overigens wel vlug aan toe dat bijzondere kristallen op bescheiden schaal toch toepassing hebben gevonden, onder meer als complexe filters en in het genereren van wit licht door glasvezels. Hoe dan ook, de Spaanse assistent-professor, zelf ook bezig met fotonische materialen, trekt lering uit het verleden.
De groep van Gomez Rivas bestudeert de optische eigenschappen van nanodraadjes gemaakt van halfgeleiders. Zijn laboratorium is ondergebracht op de High Tech Campus in Eindhoven. Daar zit ook de afdeling van Erik Bakkers van Philips Research, met wie hij samenwerkt. Het onderzoek mag fundamenteel van karakter zijn, de eendimensionale draadjes hebben duidelijk de aandacht van de verlichtingsmultinational getrokken.
Het onderzoek van Gomez Rivas illustreert bij uitstek wat nano nu eigenlijk nano maakt. Hij probeert verklaringen te vinden voor de optische eigenschappen die zich alleen manifesteren in structuren van specifieke dimensies. ’Nanotechnologie is niet alleen een kwestie van meer componenten kwijt proberen te raken in minder ruimte. In sommige vormen zijn stoffen dermate anders georganiseerd dan in hun ’natuurlijke‘ toestand, dat er bijzondere effecten optreden.‘
Het maken of bestuderen van zulke materialen is pas de eerste stap en verschilt niet wezenlijk van de wetenschap die de eerder genoemde organisch chemici en moleculair biologen bedreven. De essentie van nano wordt gevormd door de bijzondere eigenschappen die materialen in bulk niet vertonen, maar in de juiste proportionering opeens wel. Met machines als de STM kunnen onderzoekers inzoomen op die minuscule dimensies, maar op macroschaal manifesteren de eigenaardigheden van nanostofjes zich evengoed.
’Neem een nanodraad. Wat maakt die nu wezenlijk anders dan een even dun, tweedimensionaal laagje van precies dezelfde stof? Het blijkt dat het verschil zit in het optreden van defecten aan het oppervlak. Die komen het rendement van lichtemissie niet ten goede. Er wordt namelijk een foton uitgezonden wanneer een elektron een energieniveau terugvalt. Maar zo‘n defect voorkomt de uitzending van het lichtdeeltje. In plaats daarvan gaat de energie ’verloren‘ aan warmte. Omdat nanodraden een ander soort oppervlakte hebben, zijn hun optische eigenschappen wezenlijk anders dan dezelfde stof als een dun laagje of in welke vorm dan ook.‘
De dimensies van nano-objectjes komen de efficiëntie van lichtemissie bovendien ook direct ten goede. ’Het gaat niet alleen om het elektron dat terugvalt. Het deeltje moet een zogenaamd gat hebben om in terug te vallen. Het klink kinderlijk eenvoudig, maar als het elektron en het gat in een klein stukje materiaal gevangen worden gehouden, neemt de kans op terugval onder uitzending van een foton toe.‘
Bijzonder is ook de vinding van Daniël Vanmaekelberg en de zijnen aan de Universiteit van Utrecht. Zij kwamen er in samenwerking met Gomez Rivas‘ Amolf-collega‘s in Amsterdam achter dat een elektron gepaard met een gat een foton op sleeptouw kan nemen. Normaalgesproken bijten licht en nanodeeltjes elkaar juist. Omdat de golflengte van bijvoorbeeld zichtbaar licht groter is dan de afmetingen van de nanodeeltjes, ’past‘ het niet. Toch bleken nanodraden van zinkoxide licht te transporteren. Dat komt, zo bleek uit de gezamelijke inspanningen van de Amsterdamse en Utrechtse groepen, doordat een elektron-gatpaar in aangeslagen toestand een foton aan zich kan binden en transporteren.
Wereldrecord
Gomez Rivas weet nog een reden waarom nanogedimensioneerde objecten zich bijzonder gaan gedragen. ’Op nanoniveau treden kwantumeffecten op de voorgrond. In groten getale organiseren atomen zich op een andere manier dan wanneer ze maar met weinig zijn.‘ De Eindhovense onderzoeker doelt op de manier waarop atomaire energieniveaus zich vermengen in traditionele geleidende en halfgeleidende materialen. Een los atoom heeft discrete energieniveaus, gescheiden door een verboden zone. In een bulkmateriaal gaan de atomen interactie met elkaar aan en combineren de energieniveaus als het ware tot banden.
’In sommige nanosystemen is er sprake van een situatie die tussen de twee extremen inzit. Er zijn niet voldoende atomen om banden te vormen. De emissie van deze materialen doet daarom meer denken aan dat van een los atoom. Door het aantal atomen per nanodeeltje te variëren, valt lichtafgifte te tunen. Zo kan de kleur op een voorspelbare manier worden afgeregeld.‘
Om toch even een optische toepassing aan te halen, nanodraden en leds worden vaak in één adem genoemd. Gezien de regelbare optische eigenschappen en relatief hoge efficiëntie mag dat geen wonder heten. Maar Gomez Rivas benadrukt dat het plaatje nog lang niet rond is. ’De details van lichtemissie door nanodraden zijn nog niet opgehelderd en ook over absorptie, polarisatie en verstrooiing is nog genoeg onderzoek te doen.‘ Dat is belangrijk, want de nanodraden zitten doorgaans zo dicht op elkaar dat ze elkaars licht weer opvangen of weerkaatsen. Mogelijk verstoort dat de toepassing in een led.
Maar de nanosliertjes kunnen zich collectief ook juist tot grote hoogte stuwen. De Eindhovense galliumfosfidedraadjes hebben in verschillende richtingen een andere brekingsindex. Nieuw is dat niet, maar de mate waarin de indices verschillen, is momenteel een wereldrecord.
Met dit klinkende resultaat net op zak kan Gomez Rivas het niet laten om een beetje op de feiten vooruit te lopen. ’Je zou er een polarisatieselector mee kunnen maken‘, mijmert hij bescheiden. Daar zouden sommige nanowetenschappers, de goede niet te na gesproken, een voorbeeld aan mogen nemen. Nano is vooral mooie research dat pas op zijn economische en maatschappelijke merites beoordeeld mag worden als de onderzoeksresultaten daar aanleiding toe geven. Totdat het onderzoeksgebied de gedroomde impact heeft verwezenlijkt, zullen we meneer Feynman zijn enthousiasme maar vergeven.