„Nanotechnologie heeft schoonheid van pasgeboren kind”

Grootse toekomst voor
piepkleine techniek

Het leukste van iets nieuws is misschien nog wel dagdromen over de toekomst. Ook wetenschappers doen dat. Zij dromen over de mogelijkheden van hun jongste 'kind', de nanotechnologie. In de toekomst bevat het glas in een venster tegelijkertijd doorzichtige zonnecellen. Tegeltjes in het toilet 'eten' onfrisse geurtjes op.

De ideeën lijken futuristisch, maar binnen vijf tot vijftien jaar moeten dergelijke producten op de markt komen. Iets verder weg zijn heel kleine holle bolletjes die medicijnen precies op de plek brengen waar ze hun werk moeten doen. Want ook voor de gezondheidszorg biedt nanotechnologie mogelijkheden.

„Kleine afmetingen met grote gevolgen”, zo vatte dr. A. Goossens van de TU Delft het afgelopen donderdag samen. Hij was een van de sprekers op het symposium “Nanotechnologie nu!” in Delft. De Stichting Toekomstbeeld der Techniek (STT) tekende voor de organisatie van het symposium. Met de presentatie van een zwaarlijvig eindrapport sloot de STT een tweejarig studieproject over de technologie van de 21e eeuw af.

Dwerg
Het woord nano is afgeleid van het Oudgriekse woord voor dwerg, nanos. Nano betékent niet alleen klein, het ís ook klein. Een nanometer is een miljardste meter, een miljoen keer kleiner dan een millimeter. Daar is weinig meer bij voor te stellen. In het verleden konden wetenschappers er zelfs niet naar kijken.

Daar is met moderne microscopen verandering in gekomen. Vooral de raster-tunnelmicroscoop, de STM, betekende een doorbraak. Dit apparaat gebruikt een uiterst fijn puntje om een oppervlak op het kleinste niveau af te tasten. Toen in 1989 natuurkundigen bij IBM Research in Zürich met deze techniek erin slaagden met losse atomen de letters IBM te schrijven, was dit wereldnieuws.

Atomen zijn de kleinst denkbare onderdelen waarin een chemisch element verdeeld kan worden zonder dat het element zijn eigenschappen verliest. Het is moeilijk voor te stellen hoe klein atomen zijn. Als je een grapefruit opblaast tot de afmeting van de aardbol, krijgen de atomen binnen de grapefruit ongeveer de afmeting van een druif.

De opkomst van de nanotechnologie is volgens Goossens aan de nieuwe kijktechnieken te danken. Wetenschappers willen tenslotte graag zien wat ze maken. Het STT-rapport schetst nog een andere ontwikkeling. Aan de ene kant is bijvoorbeeld de chipindustrie hard bezig met miniaturisatie: steeds kleinere chips. Aan de andere kant maken scheikundigen steeds grotere moleculen. De klein-kleiner-kleinst-ontwikkeling en de tegenovergestelde trend hebben nu ongeveer hetzelfde gebied bereikt, met afmetingen tussen de 0,1 en 100 nanometer, aangeduid met het nanogebied.

Spannende gevolgen
Het steeds kleiner maken van toch al kleine deeltjes heeft spannende gevolgen, zegt Goossens. Zijn vakgroep houdt zich onder meer bezig met nanomaterialen, deeltjes met een doorsnee tussen de 1 en 100 nanometer. „Als we vaste deeltjes steeds verder verkleinen, voelen de elektronen zich op een gegeven moment 'opgesloten', ze hebben veel minder bewegingsvrijheid. Het leuke is dat daardoor ineens eigenschappen als kleur, elektrische geleiding en magnetisme veranderen. Zo kunnen we dus de eigenschappen beïnvloeden”.

Daar kunnen bijvoorbeeld horlogebouwers aardig gebruik van maken. „Over een poosje” komt Swatch met een horloge waarvan het glas tegelijk de zonnecel is. Door slim te spelen met de deeltjes in die zonnecel, is bijna elke denkbare kleur mogelijk. De zonnecel in het Swatch-horloge is een zogenaamde Grätzel-cel, genoemd naar de oorspronkelijke uitvinder, een Zwitserse hoogleraar.

„We doen de natuur een beetje na met deze zonnecel”, zegt de Delftse onderzoeker. Goossens en zijn collega's zijn hard bezig de Grätzel-cel te optimaliseren. Ze kijken daarbij naar de manier waarop planten het zonlicht omzetten in energie. De cellen van groene bladeren bevatten daarvoor chlorofyl. De Delftenaren gebruiken daaraan verwante verbindingen om licht om te zetten in elektriciteit.

Glasplaat
De zonnecel is niet veel dunner dan een stevige glasplaat. Bij zo'n uiterlijk is de link met nanotechnologie moeilijk te leggen. Toch is die er wel. Want het stofje dat licht omzet in stroom, zit 'vastgeplakt' op nanobolletjes. Volgens Goossens is dat beter dan een laagje, want bolletjes hebben een veel groter oppervlak. Zo passen er veel meer lichtgevoelige moleculen in de zonnecel. En door de grootte van de bolletjes te variëren, is het mogelijk te spelen met de kleur, zoals voor de Swatch-horloges. Bovendien blijft de zonnecel goed doorzichtig.

De Grätzel-cel is nog niet te koop. Voordat het zover is, hebben de wetenschappers nog een belangrijk probleem te overwinnen. Om het stroompje in de cel te geleiden, is nu nog een waterige vloeistof nodig. „Daardoor is de levensduur veel te kort”, zegt Goossens. Er zijn wel ideeën zoals geleidende polymeren, maar een werkend alternatief is nog niet gevonden.

Er zijn meer nano-onderzoekers die naar de natuur kijken, vooral de zogenaamde moleculaire nanotechnologen. Dat is niet zo verwonderlijk, want levende cellen zijn chemische fabriekjes op zichzelf. Met name het ribosoom is een slim onderdeeltje van de cel. Deze kleine werkplaats met een doorsnede van ongeveer 30 nanometer maakt eiwitten.

Piepkleine machientjes
Zo'n moleculair fabriekje binnen een cel boeit veel wetenschappers. Al in 1986 filosofeerde de Californische onderzoeker Drexler in zijn boek “Engines of Creation” (Motoren van de schepping) over piepkleine, robotachtige machientjes. Die zouden atoom voor atoom en molecuul voor molecuul elk denkbaar materiaal kunnen opbouwen.

Sceptici verwijzen Drexlers toekomstbeeld naar het rijk der fabelen. Ook het STT-rapport is hier terughoudend. In de conclusie stelt STT-projectleider dr. A. ten Wolde weliswaar dat „de moleculaire productie met Drexlers nanomachines zou kunnen worden gerealiseerd”, maar hij verwacht dat de door futurologen voorspelde omwenteling van de economische structuur zal uitblijven. Want hoewel je bijna alles zult kunnen maken wat je hebben wilt, gaan de productiekosten niet drastisch omlaag, denkt hij.

„Het is allereerst de nano-elektronica die economisch een belangrijke rol zal gaan spelen”, denkt hij. Deze tak van elektronica houdt zich bezig met superkleine schakelingen. De nano-elektronica is een logische opvolger van de micro-elektronica. De onderdeeltjes op een chip worden immers steeds kleiner.

Al in 1965 stelde Moore, medeoprichter van chipfabrikant Intel, dat elke anderhalf jaar de dichtheid van transistoren op een chip verdubbelt. Ook de afgelopen jaren ging de Wet van Moore nog steeds op, constateren experts verbaasd. Als het in dit tempo doorgaat, bevat een chip ter grootte van een suikerklontje meer computerkracht dan nu in de hele wereld aanwezig is, meent dr. Ralph C. Merkle, een nanotechnoloog in dienst van het onderzoekscentrum van Xerox. Maar in de nabije toekomst zijn er toch obstakels te verwachten, want details van nanometerschaal zijn met de huidige productietechniek van de chip, de optische lithografie, niet meer te maken.

Werk genoeg dus voor de nano-elektronica. Maar als deze de problemen op kan lossen, liggen er grote mogelijkheden in het verschiet, aldus prof. dr. ir. K. Goser van de Dortmundse universiteit. „Denk je maar eens in wat een computer kan als er 1000 keer meer transistoren op een chip passen. Muis en toetsenbord zijn verleden tijd. Dankzij heel krachtige chips gebeurt de hele aansturing per stem. Misschien reageert de computer zelfs wel op oogbewegingen”.

Pasgeboren kind
Ook de geneeskunde is gebaat bij nano-elektronica. Nu zijn er in de ogen van Goser nog „enorme” machines nodig om iemand te onderzoeken – röntgenapparaten en MRI-scanners. „In de toekomst prikken we gewoon met een naaldje de zenuwen aan. In het puntje van de naald zitten nanokleine elektronische onderdelen die het functioneren van de zenuwbanen bekijken. Bij zulke metingen komt een grote hoeveelheid gegevens vrij. Maar de krachtige chips die er dan zijn, kunnen de complexe berekeningen wel aan”.

Durft de Duitse hoogleraar het wel aan om een blik in de toekomst te werpen, de Delftse onderzoeker Goossens is wat huiverig om mooie beloftes te doen. Over het nut van knutselen op kleine schaal wil hij het niet direct hebben. „Ons werk is vooral wetenschappelijk boeiend en interessant. Ik zeg altijd maar dat wij mogelijkheden scheppen, niet de oplossingen. Denk maar aan Faraday, de uitvinder van de elektriciteit. Toen ze hem vroegen waar dat nu goed voor was, antwoordde hij: Wat heb je aan een pasgeboren kind? Je weet nog niet hoe het opgroeit, maar het is mooi op zichzelf. Ons onderzoek is ook zo'n baby”.

Mede n.a.v. “Nanotechnology”, door A. ten Wolde (red.); uitg. Stichting Toekomstbeeld der Techniek, Den Haag, 1998; ISBN 90 804496 1 X; 360 blz.; ƒ 75,-.