Nanowereld onder de loep

Dankzij de modernste fabricagetechnieken uit de chipindustrie, ontwikkelde dr.ir. Fredrik Creemer (TNW) een methode om chemische reacties op atoomniveau te kunnen bekijken. Vorige maand ontving hij de Veni-subsidie van 200 duizend euro om zijn verkenning van de nanowereld te verbeteren.

Voor het bestuderen van de allerkleinste deeltjes, zijn een manshoge microscoop en een halve kamer vol apparatuur nodig. Want alleen de elektronenmicroscoop kan met zijn vergrotingsfactor van tien miljoen laten zien hoe atomen in rijen gerangschikt zitten. Het instrument is daardoor onmisbaar voor materiaalonderzoek op nanoniveau.

Tot nog toe werkte de microscoop alleen voor bepaalde vaste stoffen, zoals metalen. Onderzoeker dr.ir. Fredrik Creemer van het Kavli instituut voor nanoscience (TNW) bedacht samen met onderzoekers van het Delft instituut voor micro-elektronica en submicrontechnologie (EWI), een nieuwe methode die voor alle stoffen toepasbaar is en het bovendien mogelijk maakt om chemische reacties 'live' te bekijken op atoomniveau.

De microscoop schiet een straal met elektronen dwars door een flinterdun plaatje van het te bestuderen materiaal. Als de elektronen botsen met de atomen van dat proefmonster, wordt hun bewegingsrichting afgebogen. Het patroon dat daardoor ontstaat, wordt afgebeeld op een scherm of een camera. Dit beeld heeft een veel hogere resolutie dan dat van een optische microscoop, tot een tiende nanometer (een tienmiljoenste millimeter).

Aan deze methode zit een belangrijk nadeel. Het hele proces vindt plaats in een vacuúm. Want botsingen van de elektronen met luchtmoleculen zouden het beeld volledig vertroebelen. Het vacuúm zorgt voor veel beperkingen. Het is niet mogelijk om chemische reacties te zien, en bovendien droogt het vacuúmzuigen stoffen die water bevatten uit, waardoor hun atoomstructuur compleet verandert.
Microreactor

Creemer bedacht een methode waarbij alleen het materiaalmonster is omringd met een atmosfeer, die toch de elektronenstraal doorlaat. Hij ontwierp rondom het preparaat een minuscule behuizing, een microreactor, waar elk gewenst gas doorheen kan stromen. In de microreactor is het daardoor mogelijk om scheikundige reacties tussen vaste stoffen en gassen uit te voeren en deze ondertussen door de microscoop te bekijken op atoomniveau. Creemer: "Dat is belangrijk voor onderzoek naar de werking van katalysatoren in de ontzwaveling van olie, maar bijvoorbeeld ook voor onderzoek naar roestvorming."

Met behulp van de modernste fabricagetechnieken uit de chipindustrie, kan Creemer de microreactor extreem dun maken, ongeveer een micrometer. De elektronen reizen dan maar door een gaslaag heen van driehonderd moleculen dik. "De kans dat ze hierop botsen is zo klein, dat beelden er nauwelijks door worden verstoord", aldus Creemer.

Het meest complexe onderdeel van de microreactor zijn de wanden. Die moeten namelijk de elektronen ongestoord doorlaten maar tegelijkertijd sterk genoeg zijn om het drukverschil met het vacuúm te kunnen weerstaan. Creemers microreactor heeft stevige wanden die een soort kleine ramen bevatten. Die zijn zo dun, ongeveer tien nanometer, dat elektronen hen vrijwel ongestoord kunnen passeren.

De wanden in het huidig ontwerp kunnen de standaarddruk van een bar aan. In het vervolgonderzoek wil Creemer het ontwerp van zijn inmiddels gepatenteerde microreactor de komende drie jaar verder uitwerken en verbeteren. Hij hoopt dan een druk van acht bar te kunnen bereiken. Creemer: "Dat is bijvoorbeeld noodzakelijk voor onderzoek naar de opslag van waterstof in metalen. Ik moet de microreactor daarvoor wel acht keer zo sterk maken."

Creemers microreactor bevat tevens een verwarmingsdraad en een thermometer, zodat de temperatuur geregeld kan worden. In het huidig ontwerp kan de microreactor tot vijfhonderd graden verhit worden, maar ook dat wil Creemer in zijn vervolgonderzoek verhogen.

Ook wil Creemer de reactor geschikt maken voor vloeistoffen. Creemer: "Daardoor zouden bijvoorbeeld biologische cellen bestudeerd kunnen worden. Maar omdat vloeistoffen veel dichter zijn dan gassen, moet de reactor dan nog dunner worden."

Voor het bestuderen van de allerkleinste deeltjes, zijn een manshoge microscoop en een halve kamer vol apparatuur nodig. (Foto: Sam Rentmeester/FMAX)