Delfste nanobuis op omslag Nature

Nanobuizen bestaan uit dunne koolstof cilinders van een paar atomen dik. ,,Maar dan wel erg lang, duizenden, miljoenen atomen”, voegt groepsleider prof.dr.ir. C. Dekker er snel aan toe. ,,De nanobuizen bezitten wonderbaarlijke mechanische en elektrische eigenschappen. Zo zijn er voorspellingen dat ze de sterkste trekkracht hebben van alle materialen die er ooit gemaakt zijn.”

De interesse van de Delftenaren richt zich vooral op de elektrische geleiding. De meeste moleculen geleiden de stroom niet of nauwelijks. Nanobuizen lijden niet aan dit mankement en elektronen razen dan ook met groot gemak langs de buizen. Toepassingen zijn er al. In displays en elektronenmicroscopen doen nanobuizen dienst als elektronenbron. Ook als component van moleculaire elektronica was de nanobuis al een gouden toekomst toegedicht. En terecht, zoals Zhen Yao en zijn medeonderzoekers nu hebben laten zien.

Nobelprijswinnaar Richard Smalley uit Houston was de leverancier van de nanobuizen. Een zwart goedje in een doodgewoon potje verraadt dat het gaat om een kluwen van miljoenen, op elkaar gepakte buizen. De buizen hebben weliswaar dezelfde diameter, maar in minder dan één procent van de buizen zit per ongeluk een knik. Om de geknikte buizen uit het potje te isoleren verzonnen de Delftse onderzoekers een truc. Eerst strooiden ze de buizen uit over een oppervlak met piepkleine metalen contacten. Pas daarna kwam de selectieprocedure aan bod.

Het selecteren gebeurt met een atomic–forcemicroscoop, een apparaat dat de nanobuizen zonder probleem in beeld brengt. Dekkers mannen zochten het oppervlak af om er achter te komen op welke contacten toevalligerwijs een geknikte nanobuis terecht was gekomen. Eenmaal gevonden, sloten ze de contacten snel aan op een stroombron en spanningsmeter. En zo ontdekten ze de eerste moleculaire diode: elektronen in de geknikte buis stroomden veel makkelijker de ene kant op dan de andere kant.

De meetresultaten laten zien dat de elektronen in de koolstof nanobuizen zich anders dan anders gedragen. In normale metalen als koper kunnen de elektronen alle kanten op. Nanobuizen dwingen de elektronen echter in één richting te bewegen. Daardoor hebben ze meer last van elkaar en is bijvoorbeeld inhalen een stuk moeilijker.

Met de hulp van een Amerikaanse theoreticus werden de onderlinge interacties tussen de elektronen geanalyseerd en in een model beschreven. Deze fundamentele kennis komt later zeker van pas bij het ontwerpen van andere moleculaire schakelingen. En als dat allemaal lukt, staat niets de koolstofchip meer in de weg.

Post-doc Zhen Yao en zijn collega’s van de subfaculteit Technische Natuurkunde hadden al meer dan twee jaar hun zinnen gezet op koolstof nanobuizen: piepkleine buisjes die slechts uit één (groot) molecuul bestaan. Deze zomer was het eindelijk raak. Een nanobuis met een knik bleek zich te gedragen als een moleculaire diode, een soort elektronisch ventiel. De eerste ter wereld. Als beloning koos Nature het onderzoek uit om de voorkant op te sieren. Het nummer komt vandaag uit.

Al ruim twintig jaar dromen wetenschappers van elektronische schakelingen opgebouwd uit moleculen. Zij zien deze kleinst denkbare bouwstenen als de volgende revolutie in de chiptechnologie.

Nanobuizen bestaan uit dunne koolstof cilinders van een paar atomen dik. ,,Maar dan wel erg lang, duizenden, miljoenen atomen”, voegt groepsleider prof.dr.ir. C. Dekker er snel aan toe. ,,De nanobuizen bezitten wonderbaarlijke mechanische en elektrische eigenschappen. Zo zijn er voorspellingen dat ze de sterkste trekkracht hebben van alle materialen die er ooit gemaakt zijn.”

De interesse van de Delftenaren richt zich vooral op de elektrische geleiding. De meeste moleculen geleiden de stroom niet of nauwelijks. Nanobuizen lijden niet aan dit mankement en elektronen razen dan ook met groot gemak langs de buizen. Toepassingen zijn er al. In displays en elektronenmicroscopen doen nanobuizen dienst als elektronenbron. Ook als component van moleculaire elektronica was de nanobuis al een gouden toekomst toegedicht. En terecht, zoals Zhen Yao en zijn medeonderzoekers nu hebben laten zien.

Nobelprijswinnaar Richard Smalley uit Houston was de leverancier van de nanobuizen. Een zwart goedje in een doodgewoon potje verraadt dat het gaat om een kluwen van miljoenen, op elkaar gepakte buizen. De buizen hebben weliswaar dezelfde diameter, maar in minder dan één procent van de buizen zit per ongeluk een knik. Om de geknikte buizen uit het potje te isoleren verzonnen de Delftse onderzoekers een truc. Eerst strooiden ze de buizen uit over een oppervlak met piepkleine metalen contacten. Pas daarna kwam de selectieprocedure aan bod.

Het selecteren gebeurt met een atomic–forcemicroscoop, een apparaat dat de nanobuizen zonder probleem in beeld brengt. Dekkers mannen zochten het oppervlak af om er achter te komen op welke contacten toevalligerwijs een geknikte nanobuis terecht was gekomen. Eenmaal gevonden, sloten ze de contacten snel aan op een stroombron en spanningsmeter. En zo ontdekten ze de eerste moleculaire diode: elektronen in de geknikte buis stroomden veel makkelijker de ene kant op dan de andere kant.

De meetresultaten laten zien dat de elektronen in de koolstof nanobuizen zich anders dan anders gedragen. In normale metalen als koper kunnen de elektronen alle kanten op. Nanobuizen dwingen de elektronen echter in één richting te bewegen. Daardoor hebben ze meer last van elkaar en is bijvoorbeeld inhalen een stuk moeilijker.

Met de hulp van een Amerikaanse theoreticus werden de onderlinge interacties tussen de elektronen geanalyseerd en in een model beschreven. Deze fundamentele kennis komt later zeker van pas bij het ontwerpen van andere moleculaire schakelingen. En als dat allemaal lukt, staat niets de koolstofchip meer in de weg.