Een nanobuisje dat als een gitaarsnaar over een kuil gespannen is en zo gevoelig is dat je er het gewicht van een enkel heliumatoom mee kunt meten. Dat maakte dr.ir. Benoit Witkamp.
“Sinds de jaren tachtig wordt gewerkt aan minuscule apparaatjes die mechanica en elektronica integreren”, vertelt Witkamp. “Die worden bijvoorbeeld gebruikt in airbag triggers. Om die apparaatjes van micro- naar nanoniveau te brengen, kun je de bestaande methoden verder miniaturiseren. Maar je kunt ook kijken of je moleculen aan het werk kunt zetten. Dat laatste heb ik gedaan.”
Tot de verschillende moleculen die je hiervoor kunt inzetten, behoort het koolstof nanobuisje, dat vanwege zijn zuivere kristalstructuur uniforme eigenschappen heeft. Nanobuisjes zijn het sterkste en stijfste materiaal op aarde, als je er aan trekt. Ook zijn de buisjes zeer licht en zo klein dat er weinig kracht nodig is om ze te vervormen en bij die vervorming verandert onmiddellijk de weerstand ervan. Kortom, een ideaal molecuul om eens nader te bestuderen voor Witkamp, die afgelopen maandag promoveerde op een hoog frequente nano-resonator, ofwel een nanobuisje dat over een kuiltje gespannen is.
Eerste vraag: hoe maak je zoiets? Witkamp: “Je begint met een siliciumchip met daarop een oxidelaag. Daarop breng je een grid aan van platina-markers en een aantal katalysatoreilandjes van metaaloxides. Vervolgens warm je de chip op tot negenhonderd graden, waardoor de katalysator smelt, maar het platina niet. Als je hier methaangas langs leidt, lost de koolstof op in de plasjes katalysator. Raakt het plasje verzadigd met koolstof, dan groeit er een nanobuisje uit.”
“Je houdt dan een oppervlak over waarop verschillende nanobuisjes liggen, die door de Van der Waalskrachten op hun plek blijven liggen. Dankzij de platina-markers zijn ze precies te lokaliseren en kun je aan de uiteinden ervan elektroden aanbrengen. Vervolgens gebruik je waterstoffluoride om de oxidelaag onder het nanobuisje weg te etsen.”
Het resultaat is eigenlijk een transistor, met twee elektroden aan de uiteinden en een schakelspanning in de siliciumlaag eronder. Maar omdat het buisje vrij hangt, spelen ook mechanische krachten een rol. Zo kan bijvoorbeeld de nanobuis worden verplaatst door de schakelspanning op het silicium te veranderen. Door de kleine straal zal door deze verplaatsing namelijk mechanische spanning worden geïnduceerd in de nanobuis, waardoor de veerconstante verandert. Het in kaart brengen van alle eigenschappen van dit apparaat was het doel van Witkamps onderzoek. De meest voor de hand liggende was het vinden van de eigenfrequentie van de ‘snaar’, afhankelijk van de schakelspanning die erop gezet werd. Dat lukte. De eigenfrequentie blijkt erg gevoelig voor het voltage, zodat de resonator in potentie een extreem nauwkeurig meetinstrument kan zijn, waarmee heel kleine gewichten (een enkel heliumatoom) en verplaatsingen kleiner dan een nanometer zijn vast te stellen.
Het pièce de résistance van Witkamps onderzoek was het meten van het energieverlies van de resonator. Een van de problemen bij het miniaturiseren van dit soort apparaatjes is namelijk dat er energie weglekt door onvolkomenheden, zoals fouten in het kristalrooster. Bij nanobuisjes zou dat in principe echter niet het geval moeten zijn, want daarvan is de kristalstructuur extreem regelmatig en rigide. Witkamp koelde een van zijn resonatoren af naar twintig milliKelvin en nam daar waar dat het weglekken van energie uiterst beperkt is.
Helaas lukt het nog niet goed dat bij kamertemperatuur ook aan te tonen. Witkamp vermoedt dat de resonator gedurende het fabricageproces op de een of andere manier vervuild raakt, waardoor de eigenschappen minder optimaal zijn. Hij hoopt dan ook verder te kunnen werken aan het verfijnen van de resonator. “Met nanobuisresonatoren bevind je je op de grens tussen klassieke en quantummechanica”, vertelt hij enthousiast. “Er wordt bijvoorbeeld al lang gezocht naar een instrument om de nulpuntbeweging, ofwel beweging bij 0 Kelvin, van een mechanisch object te meten, maar dat is nog steeds niet gelukt. Een resonator als de mijne zou het in een verbeterde versie misschien kunnen worden.”
De vernieuwde website van Delta is online. De belangrijkste verbeteringen zijn de dagelijkse nieuwsberichten, meer overzicht op de homepage, verbeterde toegang tot het archief en meer mogelijkheden voor beeld en geluid. Nieuw zijn ook de mogelijkheden om te reageren op artikelen en het plaatsen van minimaatjes. De website is ontwikkeld door het Delftse bedrijf Code-B.
Comments are closed.