Spinnenwebsensor kan licht werpen op zwaartekracht en donkere materie

Wat hebben een spinnenweb en een van de nieuwste sensoren van Delftse onderzoekers met elkaar gemeen? Ze zijn beiden immuun voor externe ruis. Spinnenwebben zijn uitstekende trildetectoren. Je moet in het web terechtkomen, wil je het spinsel laten trillen. Andere krachten, denk aan ruis door de bomen, hebben weinig vat op het web. Hetzelfde geldt in zekere zin voor een nieuwe sensor die onderzoekers van de TU hebben ontwikkeld: hij is niet gevoelig voor energie van buitenaf. En dit is geen toeval. De uitvinders, Richard Norte (Werktuigbouwkunde, Maritieme Techniek & Technische Materiaalwetenschappen) en Miguel Bessa (Elektrotechniek, Wiskunde en Informatica), lieten zich inspireren door de huzarenstukjes van spinrag uit de natuur.

De sensor, die maar vijftig nanometer dik is, werkt bij kamertemperatuur. Hij kan handig zijn voor het bestuderen van zwaartekracht en de krachten die veroorzaakt worden door donkere materie. Daarnaast zou hij van pas kunnen komen in quantumtechnologie. Dat schrijven de onderzoekers in een artikel dat vorige week verscheen in het tijdschrift Advanced Materials’ Rising Stars Issue.

Wie vibratie op de allerkleinste schaal bestudeert, zoals krachten veroorzaakt door zwaartekracht of donkere materie, of de energietoestanden in qubits, heeft veel te duchten van omgevingswarmte. Veel van dit soort onderzoek vindt plaats vlak boven het absolute nulpunt (-273,15°C), en vergt koelkasten die wel een half miljoen euro per stuk kosten.

“Bij kamertemperatuur is alles op nanoschaal in beweging”, zegt Norte. “Atomen en moleculen schieten alle kanten op. Dat levert ruis en trillingen op die de kleine krachten of fragiele quantumtoestanden overstemmen die je wilt meten. Maar onze sensor schermt de meeste ruis van buiten af.”

Spinnen, zelflerende algoritmen en corona
Andere onderzoekers gingen de Delftenaren voor, maar hun constructies waren gecompliceerd. Het ontwerp van Norte en Bessa is eenvoudig, dankzij spinnen en zelflerende algoritmen. En, vooruit, ook een beetje dankzij corona.

“Tijdens een lockdown ontdekte ik een hoop spinnenwebben op mijn terras,” vertelt Norte. “Ik realiseerde me dat deze structuren zo ontworpen zijn dat ze het gevoeligst zijn voor trillingen die van het web uitgaan en niet voor trillingen uit de omgeving. Waarom niet meeliften op miljoenen jaren aan evolutie en een spinnenweb gebruiken als model voor een ultragevoelig apparaat?”

Spinnenwebben zijn er in miljoenen verschillende vormen. “We konden ze niet allemaal testen om uit te zoeken welke het beste werkt,” zegt Bessa. “Dus besloten we een zelflerend algoritme het ontdekkingsproces te laten leiden.”

Halloween
Tot hun verrassing stelde het algoritme een eenvoudig spinnenweb voor van slechts zes draden. “Het web is nogal cartoonesk”, zegt Norte. “Hij ziet eruit als een web dat je zou tekenen met Halloween.” Op basis van dit nieuwe ontwerp bouwde Andrea Cupertino, mede-eerste auteur, een microchipsensor van silicium nitride.

De onderzoekers testten het model door het ‘web’ van de microchip krachtig te laten trillen en te meten hoe lang hij in beweging bleef. Het resultaat was spectaculair: een recordbrekende geïsoleerde trilling bij kamertemperatuur. Norte: “We vonden bijna geen energieverlies buiten onze microchip-web: de trillingen bewegen in een cirkel aan de binnenkant en raken de buitenkant niet. Het is een beetje alsof je iemand één zetje geeft op een schommel, waarna die persoon een eeuw lang blijft door schommelen.”