Door: Marcel Hulspas
Gepubliceerd: donderdag 31 december 2009 01:33
Update: donderdag 31 december 2009 02:16
Nieuwe zonnecellen, betere batterijen, vijfdimensionale cd’s: 2009 was een jaar vol doorbraken op nanogebied. Die ultrakleine buisjes gaan de wereld veranderen.
Vijftig jaar geleden riep natuurkundige Richard Feynman collega’s op niet langer te denken in groter en groter: de toekomst van de techniek lag volgens hem in ultrakleine apparaatjes, op atomaire schaal. Deze ‘nanotechnologie’ bleef een mooie droom, tot de ontdekking van nanobuisjes, achttien jaar geleden. Sindsdien hebben nanotechnologen in snel tempo geleerd de atomaire wereld naar hun hand te zetten. Nog even, en hun vindingen gaan de zichtbare wereld veranderen. Een greep uit de doorbraken van het afgelopen jaar.
Zonnecellen
Een zonnecel is gebaseerd op een materiaal (wat dan ook) dat in staat is zonlicht (fotonen) op te vangen, waarna de energie gebruikt wordt om vrije elektronen te creëren – elektrische stroom, dus. De meeste materialen die nu worden gebruikt zetten de energie van één foton om in één enkel vrij elektron. Eventuele overtollige energie gaat daarbij verloren. Medewerkers van de Cornell Universiteit hebben echter laten zien dat nanobuisjes één foton om kunnen zetten in twéé vrije elektronen. Nano gaat in zonne-energie.
Laser
Ooit waren lasers grote installaties waar iedereen met ontzag omheen liep. Nanowetenschappers (van de universiteiten van Cornell, Purdue en Norfolk) hebben dit jaar een nanolaser ontwikkeld die ultrasnelle lichtpulsjes kan produceren, geschikt voor signaaloverdracht in nano-optische systemen. Dit biedt ongekende mogelijkheden. Optische schakelingen zijn namelijk vele malen sneller en efficiënter dan ‘gewone’ elektronische schakelingen, maar ze zijn tot nu toe lastig te verkleinen tot op nanoschaal. Dankzij uitvindingen als deze kunnen optische schakelingen straks ultraklein worden.
Nanobruggen
Klinkt niet handig, een ‘nanobrug’, maar ook hier gaat het om een interessant onderdeel voor optische nanoschakelingen. Nanobruggen zijn lichtschakelaars die bepaalde golflengten doorlaten en andere blokkeren. Onderzoekers van het MESA+ Instituut voor Nanotechnologie aan de Universiteit Twente zijn erin geslaagd ‘zelfassemblerende’ bruggen van nanodeeltjes te bouwen. De plastic bolletjes waarmee ze werken (500 nanometer doorsnee) worden in water opgelost. Als het water verdampt, grijpen de bolletjes elkaar vast, en vormen een bruggetje. Alle dimensies daarvan zijn van tevoren te bepalen. Een beetje lijm, een verhuizing en het ultrakleine optische bruggetje is klaar om optische signalen te filteren.
Lengterecord
Hoe lang kun je nanovezels maken? Onderzoekers van de Rice University (de thuisbasis van Richard Smalley, die in 1996 de Nobelprijs kreeg voor zijn werk op nanogebied) zijn erin geslaagd nanovezels van honderden meters lengte te spinnen. Het lukt nog niet vezels te maken die over die totale lengte goed geleidend zijn, maar als dat eenmaal is gelukt, liggen er vele toepassingen in het verschiet.
Goudstaafgeheugen
Onderzoek van de Swinburne University in Victoria (Australië) hebben een ‘vijfdimensionaal’ geheugen gefabriceerd op basis van gouden nanostaafjes. Die staafjes gedragen zich heel bijzonder: als er licht op valt, kaatsen ze dat niet alleen terug, maar ze polariseren het ook en kunnen ook de kleur (golflengte) veranderen. Een gewone cd bevat data in twee dimensies, lengte en breedte; de Australiërs zeggen trots dat hun goudstaafjesgeheugen straks vijf informatiedimensies heeft: drie ruimtelijke dimensies, en daarnaast kan er ook nog informatie opgeslagen en opgeroepen worden in de vorm van een golflengte en polarisatie. Straks passen al uw cd’s op een goudstaaf-cd.
Nanodoolhoven
Uitsluitend geschikt voor bacteriën – maar daarom niet minder uitdagend. Dit jaar ontving de Delftse hoogleraar Cees Dekker een beurs van 2,5 miljoen euro van de Europese Commissie om ‘nanolandschapjes’ te maken, een extreem kleine wereld bestaande uit verschillende kamertjes, opgebouwd op een chip en uitsluitend geschikt voor bacteriën. Dekker wil met behulp van deze nanowerelden de evolutie van bacteriën bestuderen. Elk kamertje heeft zijn eigen eigenschappen. Door ze via smalle kanaaltjes te verbinden, waardoor de bacteriën steeds andere kamertjes kunnen gaan bewonen en zich daar aan de omstandigheden zullen aanpassen, moet het mogelijk zijn de evolutie van bacteriën te sturen in technologisch interessante richtingen. Eén effect heeft Dekker al ontdekt: de bacteriën dringen door in (ook voor hen) extreem smalle kanaaltjes, en als ze aan de andere kant zijn, hebben ze aanvankelijk de wonderlijkste vormen. Dat, aldus Dekker, suggereert dat er in nauwe ruimtes veel meer bacteriën aanwezig kunnen zijn dan altijd werd gedacht. Slecht nieuws voor ziekenhuizen.
Nanobatterijen
De beste manier om elektriciteit op te slaan is een materiaal te maken dat uit ultradunne laagjes bestaat, afwisselend geleidend en niet-geleidend, waarop de lading kan blijven ‘hangen’. Ook hier kan nano uitblinken. Twee Amerikaanse bedrijven timmeren hard aan de weg met nanobatterijen: FastCAP System in Cambridge, Massachusetts, bouwt ‘ultracapacitoren’ gebaseerd op nanobuisjes met een groot elektriciteit absorberend vermogen, en bij Amprius, in Menlo Park (Californië), werkt men aan een nieuwe generatie lithium-ionbatterijen gebaseerd op nanovezels. Beide bedrijven willen straks leveren aan de auto-industrie, waar men zit te springen om ultralichte accu’s die grote hoeveelheden stroom kunnen opslaan – en snel kunnen afgeven.
Stressmeter
Nanovezels zijn flexibel – maar sommige buigen niet zonder een signaal af te geven. Zhong Lin Wang van Georgia Tech ontwikkelt ‘nanopiëzo-elektronica’: materialen die mechanische stress omzetten in elektriciteit. Dergelijke stoffen kunnen gebruikt worden om goedkope sensors te maken die een signaal afgeven wanneer de stress in het materiaal (denk aan bruggen of vliegtuigvleugels) te hoog oploopt. Maar het is ook mogelijk zulke stoffen te gebruiken om energie op te wekken uit alledaagse bewegingen. Een iPod of mobieltje, aan de buitenkant bekleed met stressgevoelig nanomateriaal, heeft aan de dagelijkse bewegingen in een tas of broekzak voldoende om altijd opgeladen te blijven.