Het allerkleinste biljart ooit

Natuurkundige ?speelt? met nano-joystick

Door Bart Braun

Met koolstofnanobuisjes kun je hele goede elektronenmicroscopen bouwen. Natuurkundige Erwin Heeres zocht uit hoe.

Koolstof is van zichzelf niet zo speciaal. Het zwarte spul dat tevoorschijn komt als je je uitlaat schoonmaakt, meer niet. Pas als je de atomen netjes in het gelid weet te krijgen, wordt het leuk.
Diamant, bijvoorbeeld, of grafeen: het één atoom dikke kippengaas waar natuurkundigen zo blij van worden.
Als de atomen allemaal zes- en vijfhoeken vormen die op elkaar aansluiten als een voetbal, heb je een koolstofmolecuul dat een buckyball heet, vernoemd naar de Amerikaanse ontwerper Richard Buckminster Fuller.
Als je het grafeen oprolt, of de buckyball heel langwerpig maakt – in gedachten; het daadwerkelijke productieproces slaan we voor vandaag even over – heb je een koolstofbuisje, een carbon nanotube. Dat is wat anders dan de koolstofvezels die je in allerlei buitensportartikelen vindt. De atomen daarin zitten veel rommeliger door elkaar, en een koolstofvezel is grofweg even dik als een menselijke haar.
Koolstofnanobuisjes zijn ongeveer tienduizend keer dunner. Ze hebben ook allerlei interessante eigenschappen die ervoor zorgen dat ze al sinds een jaar of twintig als grote belofte gelden. Ze zijn supersterk, en ze zijn goed in het geleiden van elektriciteit en data. De afgelopen jaren is het steeds gemakkelijker en goedkoper geworden om ze te produceren, en duiken ze steeds meer op in high end toepassingen: in satellieten, kogelvrije vesten en pacemakers, of als geluidskabeltjes voor rijke audiofielen.
In 2002 ontdekten onderzoekers van Philips samen met de Leidse fysicus Tjerk Oosterkamp dat koolstofbuisjes ook heel geschikt zijn om elektronenmicroscopen van te bouwen.
Een elektronenmicroscoop is een apparaat waarmee je dingen in beeld kunt krijgen die zo klein zijn dat lichtgolven eromheen kronkelen. In plaats van licht schiet je elektronen op je onderwerp af, en zo kun je piepklein grut als virussen of onderdelen van cellen zichtbaar maken.
In plaats van een lampje moet er dus een bron van elektronen in de microscoop zitten, en koolstofbuisjes zijn heel geschikt om zo’n bron van te maken.
‘Het zijn heel heldere emitters’, vertelt natuurkundige Erwin Heeres. ‘Je krijgt een mooie strakke bundel.’
Voor zijn promotie onderzocht Heeres hoe het uiteinde van zo’n buisje er het beste uit kan zien. ‘We hebben een bedrijf gevonden dat hele mooie koolstofnanobuizen maakt, met heel weinig fouten erin, en een mooi gesloten uiteinde.’


Dat zijn ook de buizen die je moet hebben, ontdekte de promovendus. Met wat kunst- en vliegwerk kun je de halve koolstofvoetbal die erop zit er wel af krijgen, maar buis met een open einde is veel minder geschikt als emitter. Heeres: ‘De stabiliteit is ver te zoeken en de stroom fluctueert.’
Om de buisjes op hun plek te krijgen, bouwden Heeres en co een speciale nano-manipulator, waarop ze ook patent hebben aangevraagd. Met behulp van een joystick en aantal zeer nauwkeurig afgestelde schuiven kun je een dun draadje wolfraam tot op enkele honderdduizendsten van een millimeter nauwkeurig bewegen. Daarmee is het mogelijk om één enkel buisje uit een brokje koolstofdraadjes trekken. Heeres: ‘Die manipulator is echt een fantastisch apparaat. Je hebt een joystick die je met nanometer-precisie kan bewegen. Samen met de TU Delft keken we of wij hun nanodiamantjes konden oppakken en ergens anders neerleggen. Door het plaatsen van zo’n nanodiamantje in het gat van een bepaald soort kristal, denk ik dat ik de eerste persoon ben die op zo’n kleine schaal “biljart” heeft gespeeld. Ik vind dat heel erg cool.’
Als je een buisje op hebt gepikt om een elektronenbron te maken, haal je het wolfraamdraadje los. Dat doe je met koolstofbuisje en al in een doosje, en dat kan je verkopen aan iemand die een elektronenmicroscoop wil maken.
In theorie, althans. Heeres: ‘De volgende stap is hoe je er een product van maakt. Wij hadden een methode ontwikkeld om koolstofdraadjes uit brokjes te trekken, om die op de juiste lengte te krijgen, en om daar weer een mooie buckminsterfullereen-kop op te laten groeien zonder dat hij van je wolframdraad af knalt. Wij waren dus heel blij en tevreden. Vervolgens zit daar een bedrijf tegenover je, met hun eigen eisen en wensen. Het was nog niet zo makkelijk om die twee werelden op één lijn te krijgen. Zij wilden bijvoorbeeld een constructie die zo robuust was dat ze het bij wijze van spreken van de tafel konden laten vallen zonder dat het stuk ging. Dat was voor ons in het lab veel minder relevant.’
Na zijn promotie deze donderdag hoopt Heeres zich in elk geval voorlopig te richten op een volledig andere carrière. Via zijn bedrijf Frozen Lines werkt hij als Staatlich geprüfter Snowboardführer, en als snowboardtrainer. Zijn compagnon en jongere broer Martin was ooit Nederlands jeugdkampioen, dus ze weten er blijkbaar ook echt wat vanaf. Heeres: ‘Het leuke van snowboarden is dat het op korte termijn veel voldoening geeft. Bij onderzoek duurt dat allemaal veel langer. Het leukste is het om allebei te doen: sport als uitdaging voor je lichaam, en natuurkunde als uitdaging voor je hoofd. Het blijft zoeken naar balans, en de wetenschap blijft lonken.’

Erwin Heeres
Manipulating Carbon Nanotubes – Towards the application as novel field emissions sources.
Promotie: 2 oktober

Deel dit bericht:

Voorpagina

Achtergrond

Het gaat best goed

Psychologiestudent Pieter Krol is de nieuwe voorzitter van de universiteitsraad. …

Wetenschap

De robots komen eraan

Wetenschappers uit Leiden, Delft en Rotterdam komen vandaag samen op de U-meet 2014 …

Rubrieken

527: Naaktlopers

Maurice Baltissen reisde met broer Laurence van Portugal naar China. Ze vertrokken naakt. …

English page