Wie concrete toepassingen van nanotechnologie wil zien, moet beginnen bij de microscopie. Het NanoLab in Nijmegen daagt het midden- en kleinbedrijf uit: wie heeft zijn producten wel eens van zó dichtbij bekeken?

Onder de oude A-vleugel van de Radboud Universiteit ligt een betonnen schuilkelder uit de tijd van de koude oorlog. In die kelder, goed beschermd tegen trillingen en elektronische ruis, staat een van de beste verzamelingen scanning tunneling microscopes (STM’s) en atomic force microscopes (AFM’s) ter wereld. En als het ligt aan Sylvia Speller, hoogleraar experimentele vastestoffysica, en Veni-onderzoeker Hans Elemans zijn er binnenkort veel meer mensen die dat weten.

Met cursussen en een publiciteitsoffensief willen ze hun NanoLab, dat binnenkort fors wordt uitgebreid met geld uit het Europees Fonds voor Regionale Ont­ wikkeling, onder de aandacht brengen van het midden- en kleinbedrijf. Om uit te leggen hoe de hedendaagse microscooptechniek kan helpen bij het oplossen van tamelijk alledaagse productieproblemen. Dat is goed voor de economie én voor de maatschappelijke waardering van het vakgebied. “En voor ons heeft het ook voordelen”, stelt Elemans. “Wij weten niet wat voor problemen bedrijven hebben. Ze kunnen zomaar wetenschappelijk interessant zijn.”

‘Wauw, da’s leuk’

Het idee is een paar jaar geleden ontstaan, vertelt Speller. “Bedrijven die ons benaderen, denken vaak dat elektronenmicroscopie de best beschikbare techniek is. Terwijl STM en AFM veel fijner en sneller zijn. Maar het gaat om methoden die nog niet eens 25 jaar oud zijn. De markt hiervoor moet nog ontstaan.”

De grote jongens, van het formaat Philips, weten het lab wel te vinden. “Ze komen bijvoorbeeld met componenten met vergulde contacten, waarvan de goudlaag voortijdig loslaat. Ze willen die lagen natuurlijk zo dun en goedkoop mogelijk houden. Ze zouden het liefst een legering hebben waarbij het goud vanzelf naar de oppervlakte komt. Bij zo’n onderwerp denken wij ook ‘Wauw, da’s leuk’.” Maar zelfs op dat niveau vindt men STM’s vaak een beetje te eng om zelf aan te schaffen. Wellicht niet helemaal ten onrechte: Speller weet er minstens één te staan die stof vergaart, omdat de eigenaar er de expertise niet voor in huis heeft.

De rest van de industriële wereld heeft óf nog nooit van STM of AFM gehoord, óf denkt dat het gewoon elektronenmicroscopen zijn. Daarmee doen ze zichzelf tekort. Elemans laat een opname zien van een cd met een foutje van nano-afmetingen. Zonder AFM komt de producent er waarschijnlijk nooit achter waarom zijn cd’s telkens mislukken, mét AFM kan hij zo zien dat het aan de matrijs ligt. En zo’n ontdekking is niet meer de wetenschappelijke topprestatie die zij een aantal jaren geleden was: “Je legt gewoon de hele cd in het apparaat. Als je hem helemaal zou moeten aftasten, ben je tienduizend jaar bezig, maar tegenwoordig zit er ook een optische microscoop op om grof te zoeken. Met de AFM kun je vervolgens nauwkeuriger kijken naar de plekken die je niet vertrouwt.”

Nog meer toepassingen

Een rondgang door de kelders laat zien dat er nog veel meer toepassingen zijn. Zo hebben ze in Nijmegen als een van de eersten ter wereld STM’s gebouwd die niet in een ultrahoog vacuüm meten, maar in een vloeistof. “We gebruiken tetradecaan”, vertelt promovendus Bas Hulsken. “Het is inert en vrijwel alle moleculen die we willen bestuderen lossen erin op.”

Vooral voor de chemie is deze ontwikkeling interessant, weet Elemans. “Tot nu toe gebruikt vrijwel iedereen STM alleen om oppervlakken te visualiseren. Wij gaan een stap verder en brengen chemische reacties in beeld op atomair niveau. Anderen doen dat bijvoorbeeld met UV-Vis-spectrometrie, maar dan meet je in de bulk. Wij kunnen nu kijken naar heterogene katalyse.” Hij laat een weergave zien van een reactie van porfyrines met zuurstof, op een goudoppervlak. De software achter de STM vertaalt hoogteverschillen in kleuren: de zuurstofatomen, die overal bovenuit steken, worden rode puntjes op een blauwe ondergrond.

De techniek is alweer verder. Even verderop staat een STM die een molecuul ter grootte van een eiwit gedetailleerd in beeld kan brengen, waarbij het verrassend veel blijkt te lijken op een 3D-molecuulmodel uit een computersimulatie. De aloude schoolwijsheid dat moleculen te klein zijn om te zien, blijkt achterhaald. “Het volgende dat we willen beheersen is, in welke stand ze liggen”, gaat Elemans verder. “Daar zijn we ook al in geslaagd door een ligandje toe te voegen. Het is een nul-éénsysteem, dat je zou kunnen gebruiken voor dataopslag. Een terabyte op een harde schijf. Alleen kost het adresseren van de afzonderlijke moleculen te veel tijd. IBM heeft het geprobeerd met duizend AFM-tips tegelijk, maar dat is stilletjes afgeblazen.”

Hiv

Een kelder verderop toont Speller hoe AFM wordt ingezet om een middel tegen hiv-infecties te vinden. “We proberen in te grijpen op zwakke punten in de RNA-replicatie”, legt ze uit. “We hechten het REV-eiwit, dat daarbij een rol speelt, vast aan de tip van de AFM. Op het substraat zetten we het RNA-fragment, waar dat eiwit zich op richt. Vervolgens meten we hoe hard die twee aan elkaar trekken, en met welke stoffen we dat trekken kunnen voorkomen.”

Het ziet er allemaal uiterst hightech en ingewikkeld uit. Maar de onderzoekers benadrukken dat de apparatuur zich eigenlijk heel eenvoudig laat bedienen. Aan de muur hangen foto’s van schoolklassen die in de kelder een alternatieve scheikundeles hebben gekregen en daarbij zelf metingen mochten doen. “Dat wordt ook het zwaartepunt van de cursussen die we gaan organiseren samen met de Hogeschool van Arnhem en Nijmegen”, zegt Elemans. “Zelf achter de machine zitten en zien dat je binnen een uur een resultaat kunt hebben.”

Folder

Bedrijven die tot de doelgroep behoren, krijgen binnenkort een folder in de bus. “Ze moeten weten dat deze mogelijkheden bestaan”, vindt Elemans. “Dat deze scháál bestaat. Dat de kennis die wordt gebundeld in ons Institute for Molecules and Materials en de faciliteiten van het NanoLab een bepaalde waarde hebben voor hun producten”, vult Speller aan.

Hoe kunnen bedrijven zien dat ze een klus hebben voor NanoLab? “Als ze er met een elektronenmicroscoop niet uitkomen”, zo vat Speller het samen. “Als ze daarmee de beschadigingen niet kunnen vinden waar ze last van hebben. Onlangs hoorden we van een type beeldscherm waar erg veel foute pixels in blijken te zitten. Wij vermoeden dat de fout op nanoniveau ligt. Ik kan me voorstellen dat scheikundigen komen met een reageerbuisje: hier zitten mijn moleculaire motortjes in, maar ze werken niet goed. Alleen als je denkt op het conventionele niveau van ‘ik heb een stuk ijzer’ dan heb je zo’n nano-onderzoek niet nodig. Hoewel, de kogels van een kogellager slijten ook. Dat zou je ook wel eens nanoscopisch kunnen bekijken.” |

www.ru.nl/nanolab

De eerste cursus is op 18 november.

***Kader***

Hoe werkt het?

STM (scanning tunneling microscopy) en AFM (atomic force microscopy) behoren tot de familie der scanning probe microscopes (SPM’s). Allebei werken ze met een sonde met een zeer fijne punt, die heel dicht over het te meten oppervlak scheert.

Bij STM wordt een spanningsverschil tussen punt en monster aangelegd. Komen die twee heel dicht bij elkaar, dan overlappen de golffuncties van hun elektronen en gaat door het tunneleffect een kleine maar meetbare stroom lopen.

Bij AFM zit de punt aan het eind van een flexibele strip (cantilever). Hoe dichter de punt bij het monster komt, hoe groter de onderlinge aantrekkingskracht. Wat je meet, is de verbuiging van de cantilever.

STM geeft de hoogste resolutie, maar bij AFM hoeft het monster niet geleidend te zijn. Bovendien verdraagt AFM grotere hoogteverschillen. Vaak gebruik je beide technieken naast elkaar: AFM voor een eerste blik op een oppervlak, STM om dieper in detail te gaan.

(Illustratie Radboud Universiteit Nijmegen)