Nanotechnologie

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 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.

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.

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