Altijd met de moleculen mee knutselen

Nanotechnologie..

Iedereen die koffie zet weet dat je je koffiebonen eerst moet malen voordat de bijzondere aroma’s 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).

Dit voorbeeld illustreert een algemeen principe, namelijk dat wanneer je materialen in kleine stukjes gaat opdelen, het belang van het oppervlak toeneemt ten opzichte van het volume. Veel materialen krijgen hierdoor andere eigenschappen. Dit is een reden waarom er tegenwoordig heel veel onderzoek wordt gedaan naar nanomaterialen, materialen ter grote van miljoensten van een millimeter.

Daarnaast doen zich op nanoschaal quantumeffecten voor. Eigenschappen zijn dan opeens niet meer zo eenduidig. Zo kan een elektron tegelijkertijd linksom als rechtsom draaien. Een eigenschap waarvan dankbaar gebruik wordt gemaakt voor nieuwe computergeheugens met een enorme capaciteit.

Nanotechnologie gaat dus over het manipuleren van materialen op nanometerschaal. Dat klinkt eenvoudig, maar het is te vergelijken het boetseren van een kunstwerk op de maan, gezeten in een stoel op aarde.

Maar ruim twintig jaar geleden werd het makkelijker om op nanometerschaal te werken door de uitvinding van de scanning tunneling microscoop (STM) en de atomaire krachtmicroscoop (AFM). Deze apparaten hebben het mogelijk gemaakt om atomen en moleculen voor het eerst te ‘zien’. Zij scannen met een minuscuul naaldje de kleinste details van een oppervlakte, als een blinde die braille leest. De apparaten zijn zo gevoelig dat ze individuele atomen kunnen waarnemen. De implicaties van deze technieken zijn zo groot dat de uitvinders van de STM al vijf jaar na hun uitvinding de Nobelprijs ontvingen.

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 te verschuiven, en zo de naam van zijn werkgever 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.

Dit wordt onder meer geprobeerd door zelfassemblage, waarbij de individuele bouwstukken elkaar als ‘vanzelf’ kunnen vinden.

Deze methode raakt aan het idee over nanotechnologie dat veel reacties teweeg brengt; zelfstandig opererende robotjes van nanometerafmetingen. Deze zouden ongekende mogelijkheden bieden, bijvoorbeeld op het gebied van de medische technologie. In de sciencefictionfilm Fantastic Voyage uit de jaren zestig bijvoorbeeld, wordt een minuscule duikboot in de bloedbaan van een wetenschapper geïnjecteerd om een bloedstolsel te verwijderen. Voor mogelijke negatieve aspecten wordt gewaarschuwd in het boek Prooi van Michael Crichton, waarin 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 sciencefiction.

Hoewel we zelf dus nog lang niet zo ver zijn dat we nanorobotjes kunnen maken – laat staan robotjes die zichzelf kunnen reproduceren – vinden we in de biologie wel tal van inspirerende voorbeelden. Biology is nanotechnology that works, zei de Amerikaanse wetenschapper Tom Knight daarover. In elke cel vinden we tientallen biomoleculen die een scala van mechanische taken vervullen, zoals transport, assemblage, of celdeling (zie bètacanon Enzym).

De echte publiekslievelingen van de nanotechnologie zijn toch wel de macromoleculen die slechts bestaan uit koolstof en sinds de jaren negentig voortdurend onderwerp van onderzoek zijn, fullerenen. In 1985 werd de buckybal ontdekt (Nobelprijs 1996), een molecuul opgebouwd uit 60 koolstofatomen in de vorm van een voetbal.

Een ander en meest bekend fullereen is het koolstof nanobuisje, dat een doorsnede heeft van 1 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 basiseenheid van de computer, de transistor (zie ook de bètacanon aflevering hierover) is gemaakt.

Nanotechnologie zit dus al in veel dagelijkse producten verwerkt en de verwachtingen voor de toekomst zijn hooggespannen. Al waarschuwen sommige wetenschappers voor een hype, het vakgebied is een van de wetenschapsgebieden waarvan nog veel nieuwe ontdekkingen te verwachten zijn. Waar hoofdstukken over Einstein en Darwin de komende eeuw weinig meer zullen veranderen, zal dit hoofdstuk voor de bètacanon van 2100 dus zeker grondig herzien moeten worden.

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