Een atoom is soms net een kuil

Losse atomen en moleculen zijn ermee te zien, en dus is de tunnelmicroscoop uit een modern lab niet meer weg te denken....

BLUNDERS MET atomaire microscopen? Oppervlaktefysicus prof. dr. Joost Frenken van de Universiteit Leiden kan er uit zijn hoofd zó een reeks van opdreunen.

Leg, zegt hij om er één te noemen, een molecuul koolmonoxide bovenop een metaaloppervlak en bekijk dat eens met een rastertunnelmicroscoop. Wees voorbereid op een verrassing: op het beeldscherm verschijnt het molecuul als een kuil in het ijzeroppervlak, niet als de bobbel die je verwachten zou.

Terwijl het fysiek echt een hobbel is, zegt Frenken: 'Maar er gebeuren dingen in het samenspel van metaal, molecuul en de microscoop zelf, die maken dat het koolmonoxide verder van de kijker lijkt, in plaats van dichterbij.'

Verderweg líjkt, zegt hij nadrukkelijk. Want wie precies begrijpt wat hij met zijn microscoop doet, weet allang dat de microscoop problemen heeft met koolmonoxide. Het apparaat kijkt namelijk niet, het bepaalt afstanden op basis van minuscule stroompjes die door van alles en nog wat verstoord kunnen worden. 'Een tunnelmicroscoop is kortom geen instrument voor naïeve onderzoekers', aldus Frenken.

In die zin kan de Leidse hoogleraar zich dan ook prima vinden in een artikel in het natuurkundige vakblad Physical Review Letters van 3 december, van Werner Hofer en drie collega's van het University College in Londen. Tunnelmicroscopen, schrijven zij daar prikkelend, maken voor je er erg in hebt bergen van molshopen. Wie vervolgens enthousiast nieuwe bergen rapporteert, heeft het mis, is hun boodschap.

In hun artikel rekent het viertal voor het eerst helemaal uit wat er eigenlijk gebeurt in een rastertunnel-microscoop. Dat is opmerkelijk, want dit type supermicroscoop is al eind jaren zeventig uitgevonden, waarvoor in 1986 zelfs al een Nobelprijs is toegekend. Bovendien heeft elk zichzelf respecterend lab, in de fysica maar ook de chemie en zelfs de biologie, er wel een paar staan.

Routinematig worden daarmee afbeeldingen gemaakt van materiaaloppervlakken, waarop desnoods details tot een halve angström (een angström is eentiende miljoenste millimeter) te zien zijn.

Dat is genoeg om atomen zichtbaar te maken en levert al jaren een stortvloed op aan spectaculaire afbeeldingen van de wereld op atomaire schaal.

Daartoe kijkt een rastertunnelmicroscoop (doorgaans afgekort als STM, van Scanning Tunneling Microscope) niet met licht. Het apparaat detecteert uiterst nauwkeurig de afstand van een ragfijn naaldje tot het onderliggende oppervlak. Dat gebeurt aan de hand van de uiterst zwakke elektrische lekstroom - de zogeheten tunnelstroom - die tussen die tip en de ondergrond loopt als ze maar dicht genoeg bij elkaar zijn.

Het beeld van het oppervlak wordt vervolgens gecreëerd door de tip computergestuurd baantjes te laten trekken boven het oppervlak, onder de voorwaarde dat de tunnelstroom steeds constant blijft. Komt de naald boven een obstakel, dan moet hij iets worden opgehaald om de ingestelde stroomsterkte vast te houden. Zo is het patroon van ophalen en afdalen, in de computer vastgelegd, een rechtstreekse vertaling van het gevolgde profiel.

Dat is de naïeve versie. Hofer en zijn groep laten zien dat de naald van de STM zelf veranderingen teweegbrengt in het bestudeerde oppervlak. Ze rekenden met supercomputers maandenlang aan het ingewikkelde samenspel van de atomen en elektronen van een wolfraam naaldje onder spanning dat in de buurt van een goudoppervlak wordt gebracht.

Het resultaat is verrassend: de tip trekt per saldo het dichtstbijzijnde goudatoom bijna twee angström uit het oppervlak. Dat is een hele atoomdiameter. Het oppervlak ziet er in de STM-plaatjes dan ook ruwer uit, dan de theorie voorspelt.

Nog niet zo lang geleden leidde die waarneming, gepubliceerd in Nature, ook al tot brede twijfel over de betrouwbaarheid van de tunnelmicroscoop.

Experimentator Frenken is hoorbaar onder de indruk van Hofers ab-initio berekeningen op basis van elektronen en atomen. 'De vervormingen zijn in sommige gevallen echt veel dramatischer dan je geneigd bent aan te nemen op grond van je ervaring als experimentator', zegt hij opgewonden. En waarschijnlijk is dit ook een verklaring voor veel ellende in het lab, als daar weer eens veel eerder dan verwacht kortsluiting tussen naald en oppervlak ontstaat. 'Dit paper komt bij ons op de volgende werkbespreking meteen aan de orde. Ik wil dat al mijn mensen het een keer goed hebben gelezen.'

In Twente is nanofysicus prof. dr. Niek van Hulst nog even beduidend minder onder de indruk. Molshopen als bergen? Dat klinkt wel sappig, maar dat is toch wel wat erg sterk uitgedrukt, vindt hij. 'We hebben het over een factor twee, hooguit. Elke experimentator weet dat hij moet uitkijken met de beelden van zijn of haar tunnelmicroscoop. Je zit dichter op je sample dan je zou willen. Maar in de praktijk verandert dat niet zoveel. De hoogteprofielen die we maken, zijn niet letterlijk goed. Maar zeker goed genoeg om te begrijpen waar je naar kijkt.'

Dat, zegt in Londen Werner Hofer, is echter maar de vraag. Voor het afbeelden van structuren en oppervlakken is er per saldo misschien niet zoveel verschil. 'Maar bij echt meetwerk met STM's, bijvoorbeeld van de verdeling van magnetische gebiedjes in een materiaal, gaat het helemaal fout als je niet weet waar je bent. Ik denk dat er wat dat betreft in de literatuur wel de nodige artefacten zijn aan te wijzen.'

Een beter inzicht in de exacte gang van zaken aan de uiterste punt van een tunnelmicroscoop wordt volgens hem helemaal cruciaal als het apparaat gebruikt gaat worden om atomen op oppervlakken te verplaatsen. Laboratoria van IBM en NIST in Boulder hebben daarmee al de nodige ervaring, een eerste opstap naar het atoom voor atoom assembleren van nanostructuren. Maar ook daar was het Fingerspitzengefühl van de experimentator vaak minstens zo belangrijk als technische kennis van de gebruikte apparaten.

Wat dat betreft, zegt Hofer, komt nu het moment om zijn inzichten in te bouwen in de software van tunnelmicroscopen. 'Twee decennia na de introductie lijkt laat. Maar je kunt ook zeggen dat het kennelijk niet eerder kon.'

In Leiden heeft hoogleraar Frenken een etmaal nadat hij Hofers paper heeft gelezen er in elk geval al een persoonlijke Aha Erlebnis bij. Jaren geleden deed zijn groep proeven met smeltende metaaloppervlakken, die almaar veel te vroeg naar de naald van hun tunnelmicroscoop omhoog reikten, terwijl die nog ver weg leek. Dat waren dus zelfgemaakte bergtoppen, begrijpt hij nu.

Meer over

Wilt u belangrijke informatie delen met de Volkskrant?

Tip hier onze journalisten


Op alle verhalen van de Volkskrant rust uiteraard copyright. Linken kan altijd, eventueel met de intro van het stuk erboven.
Wil je tekst overnemen of een video(fragment), foto of illustratie gebruiken, mail dan naar copyright @volkskrant.nl.
© 2020 DPG Media B.V. - alle rechten voorbehouden