Dwerglandschap - Nanotechnologie van fiction naar science by NanoNextNL

het terrein van nanotechnologie, dat liep van 2004 tot 2010. In totaal investeerden de Nederlandse overheid, academische instellingen en het bedrijfsleven gedurende die zes jaar 235 miljoen euro in nieuwe laboratoria en apparatuur, in de ontwikkeling van nieuwe kennis, en in de vorming van een Nederlands netwerk op dit terrein. Dit boekje beschrijft hoe deze samenwerking tot stand kwam, en waar deze toe geleid heeft. Wat kan de wetenschap in zes jaar tijd bereiken als de beste mensen hun krachten bundelen, voorzien van de nieuwste faciliteiten en een stevige financiĂŤle duw in de rug?

onverwachte wegen die werden ingeslagen. Over hoe het bouwen met atomen en moleculen of het schrijven van structuren met afmetingen ter grootte van een honderdduizendste van een haar leidde tot sensoren voor anthrax, thuistesten voor manisch-depressieve patiĂŤnten, efficiĂŤntere zonnecellen, en nieuwe materialen met onvermoede eigenschappen. Kortom: over hoe ooit futuristische dromen in zes jaar tijd door uitmuntend wetenschappelijk onderzoek werkelijkheid werden.

Nanotechnologie van fiction naar science

Blader door dit boekje en lees over tegenslagen, meevallers en

Dwerglandschap

NanoNed was een grootschalig Nederlands onderzoeksprogramma op

Dwerglandschap

Sonja Knols-Jacobs

Nanotechnologie van fiction naar science Sonja Knols-Jacobs

NN_Publieksboek_v6 28-09-11 12:13 Pagina 3

Dwerglandschap Nanotechnologie van fiction naar science Sonja Knols-Jacobs

NN_Publieksboek_v6 28-09-11 12:13 Pagina 4

Colofon

Colofon Dwerglandschap. Nanotechnologie van fiction naar science, Sonja Knols-Jacobs ISBN: 978-90-7346-175-8 Projectleiding en eindredactie: Huub Eggen en Rens Vandeberg Redactie: Huub Eggen, Rens Vandeberg, David Reinhoudt, Huub Salemink Samenstelling en tekst: Sonja Knols-Jacobs, Ingenieuâ&#x2C6;&#x2018;e Uitgever: Technologiestichting STW, Utrecht in opdracht van NanoNed Vormgeving: Foton visuele communicatie, Tjerk de Vries Druk: Foton visuele communicatie De uitgever heeft getracht alle rechthebbenden van de illustraties te achterhalen. Mocht u desondanks menen dat uw rechten niet zijn gehonoreerd, dan kunt u contact opnemen met STW in Utrecht. De auteur dankt alle flagshipcaptains en overige geĂŻnterviewden voor hun enthousiaste medewerking.

september 2011 www.nanoned.nl

NN_Publieksboek_v6 28-09-11 12:13 Pagina 5

Inleiding

Inleiding Een sensor voor anthrax. Een test die binnen een dag uitsluitsel geeft of iemand een SOA heeft of niet. Een thuistest voor manisch-depressieve patiĂŤnten om zelf het lithiumgehalte in hun bloed te meten. Een nieuwe atoomkrachtmicroscoop, die binnen een hele korte tijd een oppervlak atoom voor atoom kan bemonsteren. Een materiaal voor met inkt geprinte videofilms. Een ander materiaal dat licht precies de andere kant op breekt dan je gewend bent. Vetbolletjes om chemokuren in te verpakken. Licht transporteren via het fotosynthesesysteem van bacteriĂŤn, of licht bijna stilzetten. Enzovoort, enzovoort. Wie zich ook maar even verdiept in de resultaten van het onderzoek dat mogelijk is gemaakt door NanoNed, begint het al gauw te duizelen. NanoNed was een nationaal onderzoeksprogramma, waarin acht kennisinstellingen en Philips gedurende zes jaar de handen ineen hebben geslagen om de ontwikkeling van nanotechnologie in Nederland een flinke impuls te geven. Met 235 miljoen euro, waarvan 118 miljoen euro subsidie van de overheid was en de rest door de deelnemende partners werd ingelegd, wist het consortium de afgelopen jaren meerdere doorbraken te forceren, compleet nieuwe vakgebieden te ontsluiten, meer dan tweehonderd hoogopgeleide mensen af te leveren aan de maatschappij, en de Nederlandse naam op dit terrein wereldwijd te versterken.

Nanotechnologie Nano komt van het Griekse woord nanos, dat dwerg betekent. In de nanotechnologie draait het om het waarnemen, bestuderen, begrijpen en manipuleren van individuele atomen, moleculen en supramoleculaire systemen met afmetingen van 1 tot 100 nanometer. Een nanometer is een miljardste meter, ofwel tachtigduizend keer kleiner dan de diameter van een menselijke haar. Binnen de nanowereld werkt men grofweg op twee verschillende manieren: bottom-up, dat wil zeggen het opbouwen van structuren beginnend met de kleinst mogelijke onderdelen, of top-down, het schrijven van zo klein mogelijke structuren. Die laatste methode is

NN_Publieksboek_v6 28-09-11 12:13 Pagina 6

Inleiding

jarenlang de benadering van de halfgeleiderindustrie geweest, die gedreven door de wet van Moore – elke 18 maanden moet het aantal transistoren dat op een computerchip past verdubbelen – voortdurend op zoek was naar manieren om nog kleinere structuren te maken. Meestal gebruikt men hiervoor lithografische technieken. Bij lithografie wordt een patroon verkleind en belicht op speciale resists (ontwikkellagen) op chips. De speciale laag wordt daarna met chemicaliën ontwikkeld, zoals bij een ouderwets fotorolletje. Zo ontstaan geschreven structuren, om bijvoorbeeld transistoren te maken. Nanotechnologie werkt met structuren die tachtigduizend keer kleiner zijn dan de diameter van een menselijke haar. Op deze foto is nanodraad te zien waarin een lichtstraal om een menselijke haar heendraait.

Deze benadering begint inmiddels zijn fundamentele grenzen van atomaire afmetingen te naderen. Naar verwachting zal de lithografie rond 2020 de kritieke fase bereiken waarna verdere verkleining onmogelijk wordt. Tegelijk werkt men dan ook aan het atoom voor atoom of molecuul voor molecuul opbouwen van materialen in gewenste patronen. Inmiddels zijn beide aanpakken zover gevorderd – we kunnen steeds grotere structuren bouwen en steeds kleinere structuren schrijven – dat ze elkaar qua afmetingen in de nabije toekomst zullen gaan raken. Dit boekje poogt een overzicht te geven van de belangrijkste resultaten van het omvangrijke onderzoeksprogramma NanoNed. Wie deze publicatie leest, krijgt een idee van wat de wetenschap in zes jaar tijd kan bereiken als er sprake is van een ware samenwerking vanuit een gemeenschappelijke visie, gebaseerd op wetenschappelijke kwaliteit en een solide financieel fundament.

NN_Publieksboek_v6 28-09-11 12:13 Pagina 7

Inleiding

Totaal andere wereld Flagshipcaptain Advanced Nanoprobing Sylvia Speller van de Radboud Universiteit Nijmegen is heel duidelijk over haar fascinatie voor nanotechnologie: 'Voor mij persoonlijk ligt de uitdaging van de nanowetenschap juist in het feit dat het zo klein is dat je het niet kunt zien. Het is mind boggling. De nanowereld is heel anders dan de wereld die we kennen. Je hebt niet of

‘De nanowetenschap is een denkcultuur, dat spreekt mij enorm aan.’

nauwelijks te maken met zwaartekracht, maar je leeft in een wereld die geregeerd

wordt door quantummechanica en Van-der-Waalskrachten. Je kijkt indirect, en je moet dus goed nadenken over wat datgene wat je ziet betekent. De nanowetenschap is een denkcultuur, en dat spreekt mij enorm aan. Het mooie van de samenwerking binnen zoiets als NanoNed is dat je met gelijkstemde zielen bent, die allemaal op dat niveau kunnen en willen nadenken. In feite maakt het ook niet uit of je nu kijkt met elektronen, ionen of een krachtmicroscoop. De nanofysische effecten en de gevoeligheid van je meetinstrument zijn soortgelijk.'

Als je steeds gedetailleerder naar een structuur kijkt, wordt het steeds moeilijker om goed te interpreteren waar je naar aan het kijken bent. Zo is deze ‘kustlijn’ in feite een elektronenmicroscopische opname van een kunststof stempel voor microcontact printen, gemaakt door een polymere film te smelten tussen een glasplaatje en een plak silicium met daarop een lijnenpatroon.

NN_Publieksboek_v6 28-09-11 12:13 Pagina 8

Inhoud

Inleiding

Hoofdstuk 1.

In den beginne... 12

1.1

Geschiedenis van nanotechnologie

1.2

Geboorte van een nationaal samenwerkingsverband

1.3

Keuzes voor maatschappelijke impact en faciliteiten

1.4

Organisatie en bestuursstructuur

1.5

Terug naar 2003

Hoofdstuk 2.

Vlaggenschepen in de nanowereld 2.1

Organisatie

2.2

Flagships

2.3

Infrastructuur

2.4

Technology Assessment

Hoofdstuk 3.

Kennis van het kleine 3.1

Maken

3.1.1

Materialen

3.1.2

Instrumenten

3.1.3

Fabricage

3.1.4

Bouwen met atomen en moleculen

3.2

Meten en karakteriseren

3.3

Begrijpen

3.3.1

Rekenen met quantummechanica

3.3.2

Licht in gaatjes persen

3.3.3

Leven op nanoschaal

3.3.4

Individuele moleculen

3.4

3.5

Manipuleren

3.4.1

Onzichtbaar weinig vloeistof

3.4.2

Spintronica

Technology Assessment

NN_Publieksboek_v6 28-09-11 12:13 Pagina 9

Inhoud

Hoofdstuk 4.

Rendement 100

4.1

Neus voor toepassing

4.2

Demonstratiemodellen

104

4.3

Nieuwe bedrijven

106

4.4

Faciliteiten voor Nederlands bedrijfsleven

109

4.5

Kennis en kunde in knappe koppen

110

Hoofdstuk 5.

115

Midden in het leven 5.1

Lezingen, optredens en artikelen

117

5.2

Netwerk en naamsbekendheid

119

Hoofdstuk 6.

125

Hoe nu verder? 6.1

Onderzoekslandschap voor de toekomst

126

6.2

Wat gaan we nog ontdekken?

130

6.2.1

Diep in een materiaal kijken

131

6.2.2

Basismateriaal gezocht

132

6.2.3

Herbruikbare stempels

132

6.2.4

Ultieme controle

133

6.2.5

Weg vinden in woud van signalen

134

6.2.6

Quantumcomputing leidt tot fundamenteel nieuwe dingen

6.2.7 6.2.8 6.2.9

138

Brandstof uit zonlicht, onverwoestbare lampen en computers op licht

139

Grote vragen uit biologie

140

Van individuele moleculen naar functionele microkanalen

142

6.2.10

Diagnostiek met een mobieltje

142

6.2.11

Spinnend plastic

145

6.2.12

Patenten, regelgeving en trends

146

Tot slot

147

Mensen in NanoNed

150

6.3

Verklarende woordenlijst

154

Illustratieverantwoording

162

NN_Publieksboek_v6 28-09-11 12:13 Pagina 10

Richard Feynman, grondlegger van nanotechnologie

NN_Publieksboek_v6 28-09-11 12:13 Pagina 11

1. In den beginne

1 In den beginneâ&#x20AC;Ś

NN_Publieksboek_v6 28-09-11 12:13 Pagina 12

1. In den beginne

1.1 Geschiedenis van nanotechnologie Nanotechnologie is min of meer begonnen met een fameuze toespraak van Nobelprijswinnaar Richard Feynman. In een visionaire lezing van 29 december 1959 op Caltech sprak hij onder de titel ‘There’s plenty of room at the bottom’ over de toen alleen nog gedroomde mogelijkheid om structuren molecuul voor molecuul, of zelfs atoom voor atoom, op te bouwen. Het woord nanotechnologie zelf werd voor het eerst in 1974 gebruikt door Norio Taniguchi van de Universiteit van Tokyo, maar het duurde tot de ontwikkeling van de rastertunnelmicroscoop (Scanning Tunneling Microscope, STM) in 1981 door Volgens de overlevering stond natuurkundige Richard Feynman aan de wieg van de nanotechnologie.

Heinrich Rohrer en Gerd Binnig van IBM voordat het daadwerkelijk mogelijk werd enkele atomen af te beelden en te manipuleren. Bij beleidsmakers en financiers is nanotechnologie wereldwijd op de kaart gezet door oud-president van de Verenigde Staten Bill Clinton. In 1999 verklaarde hij in een toespraak voor het Amerikaanse Congres nanotechnologie tot dé technologie van de 21ste eeuw. In een lezing op Caltech in januari 2000 kondigde hij vervolgens een grootschalig onderzoeksprogramma, het ‘National Nano Initiative’, aan met een budget van 470 miljoen Amerikaanse dollar. In Nederland was eind jaren negentig van de vorige eeuw op verzoek van de Stichting Toekomstbeeld der Techniek (STT) een inventarisatie1 uitgevoerd waar de kansen voor Nederland op dit terrein lagen. Dat nanotechnologie in opkomst was, ging ook aan de Nederlandse maatschappij niet ongemerkt voorbij. Journalist Peter van Lonkhuyzen schreef al in 2001 in het tijdschrift Management Team een overzichtsartikel waarin hij betoogde dat het ook voor de leek van belang was te weten wat nanowetenschap en -technologie nu eigenlijk inhoudt, want: ‘Geleidelijk rukt nanotechnologie op in de wereld om ons heen, hoewel we het nauwelijks in de gaten hebben.’ 1

Nanotechnology, Towards a molecular construction kit. Athur ten Wolde 12

NN_Publieksboek_v6 28-09-11 12:13 Pagina 13

1. In den beginne

Floppy en HD-televisie Toen de Stichting Toekomstbeeld der Techniek in 1998 haar verkennend rapport uitbracht over het toen net opkomende veld van nanowetenschap en nanotechnologie, had men nog geen flauw idee wat de toekomst zou

Floppy disks In het begin van dit millenium waren USB-sticks, flashkaarten en smartphones nog letterlijk onvoorstelbaar. Men droomde wel van grotere opslagcapaciteit, maar dan op ouderwetse floppy disks.

brengen. In een voorzichtige prognose wordt gesproken over mogelijkheden van ‘20 gigabyte geheugen op een 3,5 inch floppy’ binnen tien jaar. Die tien jaar zijn verstreken. Inmiddels is al een hele generatie opgegroeid die geen idee meer heeft wat een floppy überhaupt was. Diezelfde snelle vooruitgang is ook op andere terreinen bereikt. Voor HDtelevisie, die nu bijna iedereen in zijn woonkamer heeft, voorzag men in hetzelfde rapport een ontwikkeltijd van tien tot twintig jaar. In het afgelopen decennium heeft de nanowetenschap internationaal een grote vlucht genomen. Nanotechnologie dringt op alle fronten het dagelijks leven binnen. In autolakken, medicijnen, zonnecellen, en zelfs in zoiets alledaags als antizweetsokken... Nederland speelde in die ontwikkeling een grote rol. Niet in

Nanotechnologie dringt op alle fronten het dagelijks leven binnen.

de laatste plaats door het grootschalige nationale onderzoeksprogramma NanoNed, dat –

inclusief zijn voorloper Nanoimpuls – gedurende zes jaar 235 miljoen euro investeerde in onderzoek op dit terrein. Het STT-rapport had weliswaar geen idee van de specifieke toepassingen die nu op de markt zijn, maar voorspelde toch een glorieuze toekomst voor dit ontluikende vakgebied, en adviseerde dan ook er stevig in te

NN_Publieksboek_v6 28-09-11 12:13 Pagina 14

1. In den beginne

STT-rapport: â&#x20AC;&#x2DC;time to marketâ&#x20AC;&#x2122; enabling

product area

product example

time to market

(years)

technology

lithography

electronics

chips with 25 million

transistors/cm2 nanomaterials

optics

scratch-resistant spectacles

0-5

technology

catalysts

photocatalytic air purifier

0-5

energy

organic solar cell

5-15

automobile industry

corrosion protection

5-10

sensors

smoke detectors

0-5

medicine

biocompatible materials

5-10

cutting tools

ultrastrong tools

5-10

aerospace industry

high-performance parts

5-10

building industry

high-performance parts

5-10

electronics

resistors and varistors

optoelectronics

high-definition

5-10 10-20

television screens

molecular

military

fast-burning powders

medical

biochip arrays

nanotechnology electronics

drug carrying liposomes

10-20

biomolecular sensors

10-20

smart cards flat panel displays biomolecular processing chips

scanning probes

5-10

materials

fullerenes

catalysts

dendrimers

energy

molecular solar cells

molecular machines

molecular assemblers

nano-microscopes

tunneling, force and near-field

electronics

20-gigabyte memory

5-10 5-15 20-30 0 5-15 5-15 20-30 0 1-10

on a 3.5-inch floppy

Bijlage uit het STT-rapport uit 1998 met voorspelde 'time to market' van verschillende technologieĂŤn.

NN_Publieksboek_v6 28-09-11 12:14 Pagina 15

1. In den beginne

investeren: ‘De nanotechnologie bevindt zich nog in haar prille jeugd. Onderling afgestemde onderzoeksinspanningen zijn nodig om haar inderdaad te ontwikkelen tot een sleuteltechnologie voor de 21ste eeuw, waarbij vastestoftechnologie en biotechnologie zullen worden overtroffen. De toenemende beheersing over de rangschikking van

'De nanotechnologie bevindt zich nog in haar prille jeugd.'

atomen zal nieuwe mogelijkheden scheppen op alle gebieden, van duurzame tot militaire producten. Veel

materialen, elektronica, en medische toepassingen zullen binnen twintig jaar op de markt verschijnen. Op middellange termijn kunnen ook meer sensationele producten zoals zelfreinigend textiel worden verwacht.’

1.2 Geboorte van een nationaal samenwerkingsverband Dit STT-rapport was een van de aanleidingen voor de Nederlandse wetenschap om zich hard te maken voor grootschalige investeringen in nanotechnologie. NanoNed is formeel van start gegaan in 2004 als grootste project binnen het toenmalige Bsik (Besluit Investeringen Kennisinfrastructuur, voorheen ICESKIS), een regeling van het ministerie van Economische Zaken (inmiddels EL&I). De eerste plannen werden echter al in 2001 gemaakt. Hans Mooij, een van de initiatiefnemers van het voorstel, vertelt hoe het begon: ‘De KNAW zocht suggesties voor een programma voor grote onderzoeksuitgaven. Ze peilde onder haar leden, waar David Reinhoudt van de Universiteit Twente, George Robillard van de Rijksuniversiteit Groningen en ik vanuit de Technische Universiteit Delft er drie van waren. Wij zeiden meteen dat nanotechnologie zich goed zou lenen voor zo’n grootschalige aanpak. We hebben toen in twee A4tjes een beeld geschetst van wat zo’n programma zou kunnen inhouden. Vanaf het begin hebben we een flinke investering in infrastructuur bepleit, naast een behoorlijke som geld voor onderzoek. In eerste instantie hadden we drie centra voorgesteld, niet geheel toevallig Delft, Twente en Groningen. Na twee jaar aanloopfase is dat uiteindelijk uitgegroeid tot het nationale programma NanoNed.’

De Sony walkman was eind vorige eeuw een hippe gadget.

David Reinhoudt, voorman van het eerste uur, zegt over die beginperiode: ‘Internationaal was de opkomst van de nano-

NN_Publieksboek_v6 28-09-11 12:14 Pagina 16

1. In den beginne

Besturen met de voeten in de klei Reinder Coehoorn is Research Fellow bij Philips Research, deeltijdhoogleraar bij de Technische Universiteit Eindhoven en sinds 2006 lid van de Bestuursraad van NanoNed. 'Onze rol als bestuursraad was eigenlijk die van toezichthouder,' zegt hij. 'Wij namen de sleutelbeslissingen, terwijl het bestuur van NanoNed de dagelijkse leiding had.' Alle consortiumpartners waren in de bestuursraad vertegenwoordigd. Deze delegatie werd aangevuld met enkele observatoren vanuit aanpalende programma's zoals MicroNed. Coehoorn noemt zonder aarzeling netwerkvorming binnen Nederland de belangrijkste opbrengst van het programma. 'NanoNed heeft voor het eerst mensen vanuit verschillende disciplines, zoals fysica, chemie en materiaalkunde, bij elkaar gebracht. Dat was een fundamentele stap, die zeer goed is uitgepakt. Voorheen hield iedereen zich bezig met zijn eigen kleine stukje onderzoek, in zijn eigen gebouw, met zijn eigen methodes. NanoNed bracht deze specialisten onder één nationaal dak, en liet hen intensief samenwerken. De publicaties, patenten en overige behaalde resultaten, bewijzen het succes van deze

'NanoNed bracht specialisten onder één nationaal dak.'

aanpak.' Een andere fundamentele stap was volgens de bestuurder de betrokkenheid van Philips. 'Dat was echt vernieuwend, zeker in een programma dat zo gericht was op fundamenteel onderzoek. En ook dat is goed uitgepakt. NanoNed heeft bewezen dat het mogelijk is om een waarlijke privaat-publieke samenwerking op te zetten.' NanoNed fungeerde als een opstap naar nog grotere initiatieven, zegt de Philipsonderzoeker. 'Ik denk vooral aan NanoNextNL, waarbinnen wordt voortgebouwd op de sterktes van NanoNed en van het aanpalende MicroNed.' Ook binnen NanoNextNL zijn weer een paar bepalende keuzes gemaakt, vindt Coehoorn. 'Zo hebben we het programma nog breder getrokken, en meer disciplines erbij gehaald. Dat kwam deels voort uit een verzoek van de overheid, die wilde dat we ons zouden richten op de applicatiegebieden energie, nanomedicine, voedsel en water. Zo hebben we de betrokken onderzoeksgemeenschap nog verder uitgebreid. Daarnaast biedt het programma ook meer verdieping. De hardcore technologie heeft er een sterkere rol in gekregen.'

NN_Publieksboek_v6 28-09-11 12:14 Pagina 17

1. In den beginne

Coehoorn is zeker geen onbekende in het Nederlandse nanolandschap. Hij was onder andere lid van de FOM-adviescommissie voor de nanofysica, nam deel aan de voorbereidingscommissie voor de Strategische Research Agenda Nanotechnologie, en schreef als stuurgroeplid mee aan de plannen voor NanoNextNL. Maar vooral staat hij bekend als uitstekend onderzoeker op dit terrein. Ook binnen NanoNed was zijn bemoenis niet alleen bestuurlijk. 'Ik was onder andere als onderzoeker betrokken bij een NanoNedproject, en ben lid geweest van een gebruikerscommissie bij een ander onderzoek binnen het programma.' Coehoorn raadt het iedereen aan om zelf op de werkvloer actief te blijven. 'Dan zie je tenminste hoe je beslissingen in de praktijk uitwerken.'

technologie aanleiding tot coördinatie en instituutsvorming. Na een verzoek daartoe door de KNAW namen wij gedrieën in 2001 het initiatief om te komen tot het Bsik-voorstel “Nanotechnologie”. Later sloten anderen zich aan bij ons initiatief om te komen tot het uiteindelijke NanoNed consortium.’2 George Robillard licht toe hoe dit ging: ‘Oorspronkelijk was de vraag van de KNAW om een beleidsstuk te maken over de toekomst van nanotechnologie en nanowetenschap in Nederland. Er lag al een stuk van Hans Mooij en David Reinhoudt. Hun

'Vanuit Delft, Twente en Groningen hebben we onze blik verbreed.'

thuisbases Delft en Twente hadden in het begin van dit millennium al een aantal instituutachtige activiteiten op

dit terrein. Groningen was wat korter bezig, maar had qua activiteiten wel hetzelfde niveau. We hebben toen gedrieën de beste manier gezocht om dit ontluikende onderzoeksterrein nationaal te profileren en te versterken.’ ‘Uiteindelijk werd het geen beleidsstuk, maar een subsidieaanvraag,’ vervolgt Robillard. ‘We zagen al wel aankomen dat het slimmer was om gezamenlijk geld te vragen voor een grootschalig initiatief, dan dat we elkaar zouden beconcurreren voor kleinere projecten. Vanuit Delft, Twente en Groningen hebben we vervolgens onze blik verbreed. In de loop van de tijd bleek dat als we alleen onze eigen onderzoeksonderwerpen zouden meenemen, dat we dan sterke onderzoeksgroepen buiten de boot zouden laten vallen. Toen besloten we om de zaak nationaal te versterken. We hebben alle universiteiten benaderd, en iedereen die positief reageerde 2

Moleculaire Engineering, Synthese en Analyse. Afscheidscollege David Reinhoudt, UT, 13 sept. 2007 17

NN_Publieksboek_v6 28-09-11 12:14 Pagina 18

1. In den beginne

deed mee met het programma. Daarnaast was Philips vanaf het begin heel geïnteresseerd en betrokken.’ Huub Salemink, vice-voorzitter van het consortium, voegt toe: ‘We hebben alle Colleges van Bestuur aangeschreven, en gevraagd of ze hierin wilden participeren. Dat betekende overigens dat zij de helft van het budget zelf zouden moeten bijdragen. Uiteindelijk zeiden zeven universiteiten ja. Met Philips en TNO vormden we samen het uiteindelijke consortium.’ Het programma zou worden onderverdeeld in verschillende aandachtsgebieden, flagships genaamd. Om tot de uiteindelijke elf onderzoeksgerichte flagships te komen, dienden alle partners voorstellen in. Dit leidde tot vierhonderd projectvoorstellen

Zo werd voortgebouwd op bestaande excellentie, en zijn ook nieuwe kansrijke gebieden geïdentificeerd.

voor promovendi. Het consortium heeft deze voorstellen door buitenlandse

referenten laten beoordelen op wetenschappelijke inhoud, en op kansen voor innovatie en industriële applicatie. Hieruit volgde een lijst met projecten die wetenschappelijke kwaliteit hadden, en ook gerede kans op toepassing binnen de industrie en maatschappij. Zo werd voortgebouwd op bestaande excellentie, en zijn ook nieuwe kansrijke gebieden geïdentificeerd. In overleg met de betrokken hoogleraren zijn de uiteindelijke flagships benoemd. Op deze manier kwam in een zorgvuldig proces het uiteindelijke NanoNed tot stand. Omdat er zoveel mensen en instellingen betrokken waren bij het voorstel, en er meer dan vierhonderd projecten beoordeeld moesten worden, kende het vormgeven van het uiteindelijke programma een lange doorlooptijd. Dit proces kreeg een steun in de rug toen het ministerie van Economische Zaken uit de zogeheten kennisimpuls

NN_Publieksboek_v6 28-09-11 12:14 Pagina 19

1. In den beginne

Ondernemend klimaat scheppen Om de aansluiting tussen het onderzoek en het bedrijfsleven te maken, stelde het NanoNedbestuur een Industriële Adviesraad in. Vertegenwoordigers uit het bedrijfsleven, variërend van grote bedrijven als DSM en Shell tot mkb'ers als Bronkhorst High-Tech B.V. en C2V, kwamen tweemaal per jaar bijeen om adviezen te geven over de valorisatie van het onderzoek. Voorzitter van dit orgaan was Frank de Jong, directeur Research & Development bij FEI company, een bedrijf dat elektronenmicroscopen ontwikkelt. 'Toen NanoNed startte, was ik een van de referenten uit het vakgebied die het programma beoordeelden. Vervolgens werd ik gevraagd zitting te nemen in de Industriële Adviesraad.' Deze raad richtte zich met name op het stimuleren van het gebruik van de resultaten van NanoNed. 'Wetenschappelijk gezien zat het met NanoNed wel goed, wij keken vooral hoe we er meer voor konden zorgen dat de resultaten ook een economisch vervolg zouden krijgen. Het Valorisation Platform dat later werd ingesteld had een meer uitvoerende taak, en werd door ons van adviezen voorzien.' Een van de speerpunten die de

‘Er moest een cultuur ontstaan waarin promovendi en stafleden actief bezig waren met de mogelijke economische gevolgen van hun onderzoek.’

Adviesraad formuleerde was het scheppen van een ondernemend klimaat binnen het programma. Hiertoe is een aantal cursussen aangeboden aan de onderzoekers. De Jong: 'Er moest een cultuur ontstaan waarin promovendi en stafleden actief bezig waren met de mogelijke economische gevolgen van hun onderzoek. NanoNed was een erg academisch gericht programma. Behalve Philips, dat participeerde, waren de andere bedrijven vooral passief betrokken.' Die participatie is in opvolger NanoNextNL veel groter volgens De Jong, die lid is van de Executive Board van dit programma. Frank de Jong is een drukbezet man. Waarom heeft hij hiervoor tijd vrijgemaakt? 'Bedrijven kunnen niet al het onderzoek en alle ontwikkeling binnen de eigen muren doen. Het is voor ons belangrijk om in dit soort programma's te participeren om nieuwe ideeën op te doen en nieuwe mensen te leren kennen. Zo ontstaan nieuwe samenwerkingsverbanden. En goede promovendi kunnen we soms meteen een baan aanbieden. Daarnaast hoop je als bedrijf ook mee te kunnen sturen aan zo'n programma. Je kunt academisch uitdagende onderzoeksvragen aandragen op terreinen die voor het bedrijf op de lange termijn interessant zijn.'

NN_Publieksboek_v6 28-09-11 12:14 Pagina 20

1. In den beginne

als voorschot het NanoImpulsprogramma toekende. De meest uitgekristalliseerde onderdelen van het NanoNedprogramma in wording gingen van start met een subsidie van 50 miljoen gulden (ongeveer 22 miljoen euro) voor investeringen en projecten binnen de clusters fluidics, fotonica, instrumentatie en spintronica. Robillard: ‘NanoImpuls was in wezen een apart onderdeel van NanoNed waarbinnen we de clusters van activiteiten die het meest volwassen waren samenbrachten.’ ‘Een droomstart,’ aldus Reinhoudt. Ondertussen kreeg het programma van NanoNed zijn vorm en het definitieve subsidievoorstel werd ingediend. Reinhoudt: ‘Het waren zeer hectische tijden. Het doel was helder, de beste onderzoekers te financieren om nanotechnologisch onderzoek te doen.’ In 2003 volgde de honorering van het voorstel, in 2004 konden de onderzoekers van start.

1.3 Keuzes voor maatschappelijke impact en faciliteiten Meteen in de beginperiode van het opstellen van het nationale nanoprogramma zijn twee opvallende keuzes gemaakt. De eerste keuze was om een apart deelprogramma te starten onder de naam Technology Assessment dat zich bezig zou houden met de maatschappelijke impact van het nano-onderzoek. Flagshipcaptain Arie Rip: ‘Toen de plannen voor NanoNed gemaakt werden, kwam David Reinhoudt naar me toe met de vraag of ik een plan wilde opstellen voor een Technology Assessment component binnen het programma. Hij had gezien dat in de VS bij het Humane Genome project vanaf het begin aandacht was voor ethische, juridische en sociale aspecten van de nieuwe technologie, en wilde datzelfde model ook in het grootschalige nanotechnologieprogramma inbouwen. Dat was overigens een visionaire stap, die geheel tegen de heersende praktijk in Nederland inging. Doel van dit Technology Assessment kon zijn Artist impression Nanolab Delft.

het overbruggen van de kloof tussen ELSA (Ethical, Legal and Societal Aspects) en innovatie.’

NN_Publieksboek_v6 28-09-11 12:14 Pagina 21

1. In den beginne

Veelal zijn vacuümopstellingen nodig om de fysische verschijnselen op nanoschaal onverstoord te kunnen bestuderen.

Een andere bepalende stap was het besluit om uiteindelijk bijna veertig procent van het totale budget te reserveren voor investeringen in infrastructuur – specialistische apparatuur om nanostructuren te kunnen maken, bestuderen en manipuleren. Hiermee wilde men een nationale faciliteit van wereldklasse realiseren. In eerste instantie betekende dit een forse impuls van meer dan tachtig miljoen euro via het zogeheten NanoLabNL op een zeer beperkt aantal locaties. Daarnaast deed het programma een verdere investering van bijna twintig miljoen euro in kleinschaliger faciliteiten (kort aangeduid als WENA, voor Wageningen, Eindhoven, Nijmegen en Amsterdam, de plaatsen waar de faciliteiten zouden komen). Emile van der Drift, flagshipcaptain van NanoLabNL, vertelt hierover: ‘Nanotechnologie is een dure tak van sport. Er zijn grote investeringen nodig voor infrastructuur om nieuwe concepten te ontwikkelen en verder technologisch onderzoek mee te kunnen doen. We hebben in eerste instantie gekozen voor een beperkt aantal locaties in Nederland waar kostbare faciliteiten gerealiseerd zouden worden, die samen als nationale faciliteit zouden fungeren.’

NN_Publieksboek_v6 28-09-11 12:14 Pagina 22

1. In den beginne

‘Vanwege het langetermijnbelang, verder strekkend dan de looptijd van Nanoned, is een speciaal consortium gevormd, NanoLabNL geheten. Hierin participeerden vier partijen en Philips. Samen hebben we de spelregels besproken en een overeenkomst gesloten hoe we dit zouden aanpakken. In totaal ging het om een investering van tachtig miljoen euro, waarvan iets meer dan de helft werd bijgedragen door de verschillende partners zelf. We legden vast hoe we de toegankelijkheid wilden regelen, hoe we kosten zouden verrekenen en hoe we continuering voor de lange termijn zouden garanderen. In principe was NanoLabNL als onderdeel van NanoNed namelijk bedoeld als investering voor zes jaar, maar we wilden vanaf het begin al zorgen dat Nederland hier langer van zou kunnen profiteren. Daarom hebben we samen de spelregel geïntroduceerd dat voor elk miljoen dat we investeerden, we gedurende tien

'We wilden vanaf het begin zorgen dat Nederland hier langer van zou profiteren.'

jaar jaarlijks één procent van die som in een herinvesteringsfonds zouden stoppen. Zo hebben we inmiddels na

zes jaar zes procent van de oorspronkelijke som opgebouwd als opstapje voor nieuwe investeringen. Dat is voor zover ik weet een unieke aanpak bij dit soort grote investeringsprogramma’s.’

Experts Van der Drift vervolgt: ‘We stelden vast dat elke locatie dezelfde basisexpertise nodig had, maar dat we daarbuiten zouden kiezen voor experttechnieken op bepaalde locaties. Zo is het Kavli Nanolab van de Technische Universiteit Delft gespecialiseerd in het schrijven met elektronenbundels, en in het werken met geavanceerd plasma-etsen. Het MESA+ Nanolab Twente is bijvoorbeeld expert in het groeien van complexe materialen op nanoschaal en in diverse analysetechnieken. Toen we begonnen, was MESA+ ook de expert op het terrein van nanoimprint, het stansen van nanostructuren. Dat is inmiddels een standaardtechniek geworden, die op meerdere locaties wordt beheerst. In het Zernike Nanolab Groningen moet je bijvoorbeeld zijn als je heel gecontroleerd complexere organische moleculen wilt kunnen groeien en deze wilt karakteriseren met diverse vormen van spectroscopie. TNO tenslotte is erg sterk op het terrein van nano-instrumentatie, bijvoorbeeld in de nanofotonica en in het analyseren en bestrijden van minuscule contaminatie in vacuüm.’ Laatstgenoemd onderwerp speelt een vitale rol in de ontwikkeling van de volgende generatie lithografie voor de fabricage van computerchips.

NN_Publieksboek_v6 28-09-11 12:14 Pagina 23

1. In den beginne

Van der Drift benadrukt dat het geld niet alleen in apparaten is gaan zitten. ‘We zeiden meteen al dat we niet alleen zouden investeren in apparatuur, maar ook in de opbouw en het delen van kennis. Rond de verschillende faciliteiten van NanoLabNL zijn experts aangesteld die de gebruikers behulpzaam zijn bij het oplossen van problemen. Zo hebben we in Delft twee mensen in dienst die zich volledig richten op de techniek van het elektronenbundelschrijven. Volledig, dat wil zeggen technisch, technologisch en wat software betreft. Zij volgen de ontwikkelingen in het veld, zorgen voor tijdige updates, houden de planning bij wanneer welk onderdeel aan vervanging toe is en zoeken in het algemeen de grenzen van de apparatuur op. Maar ook assisteren zij onderzoekers bij het interpreteren van schrijfresultaten, en het verklaren van onbegrepen afwijkingen in geschreven patronen. Je moet je voorstellen: er zijn inmiddels meer dan tweehonderd mensen die de Kavli Nanolab apparatuur gebruiken. Die komen hier binnen met één doel, een nanopatroon maken, en willen dan weer zo snel mogelijk terug naar hun lab voor het eigenlijke nanoonderzoek. Zij hebben en nemen de tijd niet om zich helemaal in de details van de fabricagetechniek te verdiepen. Als er dus tijdens het gebruik van de apparatuur iets onverwachts gebeurt, heb je die experts hard nodig. Wat is er gebeurd? Heeft dit te maken met het instrument, of is er een fysisch of chemisch proces op gang gebracht dat interessant is om te onderzoeken? Onze technici helpen daarom niet alleen tijdens het gebruik van de apparatuur, maar geven ook cursussen en workshops, om te laten zien wat er technologisch mogelijk is in het NanoLab,’ sluit Van der Drift af.

Het MESA+ Nanolab Twente.

NN_Publieksboek_v6 28-09-11 12:14 Pagina 24

1. In den beginne

NanoLabNL is in alle opzichten een nationale faciliteit. De expertise is dus niet alleen toegankelijk voor de samenwerkende partijen binnen NanoNed, maar ook voor onderzoek bij andere universiteiten en instituten en voor externe partijen. NanoLabNL hanteert een zeer gebruiksvriendelijk onderzoekstarief naast het commerciĂŤle tarief. Onderzoekers hoeven alleen de werkelijke kosten te betalen die ze maken door het gebruik van de faciliteit. Dus het gebruik van cleanroompakken, de schone lucht tijdens hun werk, het verbruik van chemicaliĂŤn en andere materialen, van elektriciteit... Personeelskosten en de afschrijving van apparatuur en laboratorium worden in het onderzoekstarief niet doorberekend. NanoLabNL is echt gericht op technologie, de kunst van het maken. Naast NanoLabNL is er ook geld gereserveerd voor speciale faciliteiten, die met name bij verschillende onderzoeksgroepen zelf nodig waren voor bijvoorbeeld analyse en karakterisatie van optische, magnetische en organische nanostructuren. Dit is uiteindelijk een apart flagship geworden, WENA (voor Wageningen, Eindhoven, Nijmegen en Amsterdam).

BioMade / Zernike Institute University of Groningen

1.4 Organisatie en bestuursstructuur De uitkomst van alle overleggen, consultaties

AMOLF Amsterdam

binnen het veld, en oordelen

HIMS University of Amsterdam

MESA+ University of Twente

van de buitenlandse referenten was een programma met een

Leiden University

Utrecht University

totale omvang van 235 miljoen euro. De helft van dit bedrag

Kavli Institute Delft University of Technology

BioNT Wageningen UR IMM Radboud University Nijmegen

TNO Science & Industry Delft

werd bijgedragen door de partners in het aanvragende consortium. Dit consortium

Philips Eindhoven

bestond uit MESA+ van de Universiteit Twente, het Kavli

CNM Eindhoven University of Technology

instituut voor Nanoscience van de Technische Universiteit Delft, het Centre for Nano Materials van de Technische

NN_Publieksboek_v6 28-09-11 12:14 Pagina 25

1. In den beginne

Universiteit Eindhoven, BioMade/Zernike instituut for Advanced Materials van de Rijksuniversiteit Groningen, BioNT van de Wageningen Universiteit, het Van ‘t Hoff instituut van de Universiteit van Amsterdam, TNO en Philips. Dit consortium werkte nauw samen met het FOM-Instituut voor Atoom- en Molecuulfysica (AMOLF), en enkele groepen van de Universiteit Utrecht en de Universiteit van Leiden. Binnen het programma waren ongeveer vierhonderd onderzoekers aan het werk. Om de samenhang in het programma te bewaken, werd een bestuur benoemd. Dit bestuur kreeg van alle partners het mandaat om beleid te maken, individuele projecten toe te kennen en besluiten te nemen over de organisatie van het programma. Als controlerend orgaan werd ook een bestuursraad geformeerd. Daarnaast werd een industriële adviesraad geïnstalleerd, die het bestuur adviseerde over de valorisatie van het onderzoek dat binnen NanoNed werd uitgevoerd. Het proces van zelfselectie plus de keuze om te investeren in Technology Assessment en faciliteiten leidde tot de flagships Advanced Nanoprobing, BioNano Systems, Bottom-up Electronics, Chemistry and Physics of Individual Molecules, NanoElectronic Materials, NanoFabrication, NanoFluidics, NanoInstrumentation, NanoLabNL, NanoPhotonics, NanoSpintronics, Technology Assessment, WENA en Quantum Computation. In hoofdstuk 2 komt kort aan de orde wat de hoofdonderwerpen van deze flagships waren.

1.5 Terug naar 2003 In de factsheet3 die SenterNovem (inmiddels Agentschap NL) bij de start uitbracht over de verschillende gehonoreerde Bsikprojecten, verwoordt voorman David Reinhoudt de ambities van het programma als volgt: ‘We zien in 2010 een fors aantal start-ups en we hebben dan regelmatig gepubliceerd in toptijdschriften als Science en Nature. Op Europese schaal heeft Nederland over vijf jaar een goede positie verworven. We hopen Don Eigler van IBM wist als eerste ter wereld op atomaire schaal structuren te bouwen, door IBM te spellen met individuele xenon atomen. Deze afbeelding is gemaakt door IBM Corporation.

een structurele financiering te hebben gevonden voor onderzoek naar nanotechnologie, bijvoorbeeld in de vorm van een technologisch topinstituut of via een nationaal regieorgaan. En last but not least is dan de hokjesgeest verdwenen en praten aio’s uit allerlei disciplines met elkaar.’

Bsik programma NanoNed, factsheet SenterNovem 25

NN_Publieksboek_v6 28-09-11 12:14 Pagina 26

1. In den beginne

EUV-machine ASML.

Verderop in deze publicatie blijkt in hoeverre deze ambities bewaarheid zijn. Maar eerst even kort terug naar 2003. Wat was er toen mogelijk? En wat waren de grote vragen? In het begin van dit millennium, dus voor de start van NanoNed, besloegen de activiteiten op het gebied van nanotechnologie in Nederland ruwweg vier hoofdgebieden: nanoelektronica, nanomaterialen, moleculaire nanotechnologie, en microscopen met een oplossend vermogen op nanoschaal. Vakgebieden als nanofotonica, nanospintronica, en nanofluidics waren veelbelovend, maar stonden nog in de kinderschoenen. Gebaseerd op de aanwezige expertise en infrastructuur, richtte het programma NanoImpuls, dat feitelijk een voorschot nam op zijn grote broer NanoNed, zich op vijf gebieden: nanofluidics, nanofotonica, nanospintronica, nano-instrumentatie en nanofabricage. De betrokkenheid van het bedrijfsleven bij dit onderzoek was nog minimaal. Men wilde hooguit bijeenkomsten van gebruikerscommissies rondom onderzoeksprojecten volgen, maar van bijdragen in cash of in kind was zelden sprake. De kennis die er was, was grotendeels fundamenteel van aard.

NN_Publieksboek_v6 28-09-11 12:14 Pagina 27

1. In den beginne

Schrijven, printen, stansen, bouwen Wat was er zoal mogelijk in de tijd dat NanoNed begon? De halfgeleiderindustrie, met name een chipmachinefabrikant als het Nederlandse ASML, was naarstig op zoek naar een nieuwe optische techniek om nog fijnere structuren te schrijven. Er werd veel verwacht van het werken met extreem ultraviolet licht, alleen kampte die techniek nog met veel problemen. Zo bleek belichting met EUV-licht ervoor

EUV was vooral een belofte, maar nog geen praktische mogelijkheid.

te zorgen dat de spiegels die in zo’n machine het licht naar het te belichten patroon moeten leiden,

beslaan met een laag koolstof. Daarmee gaat de effectiviteit van die spiegels heel snel omlaag, er gaat veel licht verloren dat niet meer wordt weerkaatst. EUV was vooral een belofte, maar nog geen praktische mogelijkheid. Nanoimprinting, het stempelen van patronen op een oppervlak, was sterk in opkomst. In de begintijd van NanoNed was het al mogelijk om met warmte of licht structuren te schrijven in polymere lagen. Bottom-up kon men rudimentaire structuren bouwen. Bekend zijn de plaatjes van bedrijfslogo’s als dat van IBM, geschreven met enkele atomen. De eerste publicaties over elektrische stroom door enkele moleculen – moleculaire transistoren – verschenen sinds eind jaren negentig. Wilfred van der Wiel, flagshipcaptain van Bottom-up Electronics, zegt daarover: ‘Rond 2003 was de stand van het vakgebied zo, dat het mogelijk was een toppublicatie te scoren op basis van een zeer beperkt aantal werkende structuren. Reproduceerbaarheid was een groot probleem. De gepubliceerde data waren soms niet meer dan lucky shots. De opbrengst aan werkende componenten was veel te laag, wat een goede karakterisatie ervan enorm bemoeilijkte. Toen we startten met dit flagship wilden we de succesrate verhogen door een systematische aanpak te kiezen. Daartoe wilden we ook de expertise van fysici en chemici bundelen. Uiteindelijk wilden we kunnen bepalen of je hier een solide technologie op kunt baseren.’

Eerste blikken Het daadwerkelijk zien van structuren met afmetingen van enkele nanometers was sinds de uitvinding van de STM en later van de

NN_Publieksboek_v6 28-09-11 12:14 Pagina 28

1. In den beginne

atoomkrachtmicroscoop (Atomic Force Microscope, AFM) dan wel mogelijk, maar dat kon eigenlijk alleen goed in vacuüm. Metingen doen onder andere omstandigheden, zoals het bestuderen van deeltjes in oplossing, was nog erg moeilijk. Het realtime volgen van een chemische reactie was ondenkbaar. Ook de positiebepaling was nog erg moeilijk. In 2003 kon je een meting doen op een oppervlak, je meettip terugtrekken, en vervolgens diezelfde plek nooit meer terugvinden. STMs en AFMs werken met een meetnaaldje van enkele nanometers, op een oppervlak van enkele millimeters. Dat is een miljoen keer zo groot. Het is alsof je in een willekeurige kamer van twee bij twee meter zit, en je zelf zonder verdere aanwijzingen die plaats moet terugvinden op de kaart van Europa. Langzaam kwamen er ook technieken beschikbaar om naar individuele moleculen te kijken. Maar die technieken kon je nog niet toepassen op bewegende systemen, laat staan dat je bewegende systemen zou kunnen manipuleren.

Onontgonnen terreinen Het begrip van fenomenen op de nanoschaal was groeiende. Zo waren er op het gebied van de spindynamica – het beïnvloeden van de beweging van de spin van een elektron – enkele verrassende experimenten

NN_Publieksboek_v6 28-09-11 12:14 Pagina 29

1. In den beginne

Nanodetector in heelal Een minuscule maar supergevoelige sensor helpt raadsels in de uithoeken van het heelal op te lossen. De kosmische straling met de zogenaamde terahertzfrequenties die de sensor detecteert bevat voor sterrenkundigen belangrijke nieuwe informatie over het ontstaan van sterrenstelsels en planeten. NanoNedpromovendus Merlijn Hajenius ontwikkelde deze sensor aan de Technische Universiteit Delft in intensieve samenwerking met het SRON Netherlands Institute for Space Research. De detector, ‘hot electron bolometer’ genaamd, is gebaseerd op het welbekende verschijnsel dat de elektrische weerstand toeneemt zodra iets opwarmt. Door het gebruik van een supergeleider is de detector extreem gevoelig en werkt hij voor straling die tot nu toe nog niet zo goed te detecteren viel. De detector werkt bij terahertzfrequenties waar astronomen, maar ook atmosfeerwetenschappers, erg in geïnteresseerd zijn. De kern van de detector is een klein stukje supergeleidend niobiumnitride dat aan beide uiteinden ingeklemd wordt door schone supergeleidende contacten die op een constante temperatuur van min 268 °Celsius (vijf graden boven het absolute nulpunt) gehouden worden. Een minuscule gouden antenne vangt de terahertzstraling op en voert deze via de contacten naar het stukje niobiumnitride dat als een extreem gevoelige thermometer werkt.

Een voorganger van Hajenius' sensor wordt gebruikt in de ALMAtelescoop (Atacama Large Millimeter/ submillimeter Array). ALMA is een revolutionaire astronomische interferometer in Chili, die bestaat uit 66 radioschotels variërend van zeven tot twaalf meter in diameter.

NN_Publieksboek_v6 28-09-11 12:14 Pagina 30

1. In den beginne

geweest waar de wetenschappelijke wereld wel opgewonden van werd. Het begrip ervan was echter nog minimaal, en de experimenten waren nog heel eenvoudig. Het gedrag van spins was al wel zover begrepen dat er gewerkt werd aan toepassingen De fluxqubit van Hans Mooij. In deze supergeleidende ring loopt een stroom van miljarden elektronen tegelijkertijd linksom en rechtsom door het metaal.

binnen MRAMs (Magnetoresistive Random Access Memory), vaste computergeheugens die gebruikmaken van het feit dat een spinnend of rondtollend elektron een magneetveld veroorzaakt. Van die ontwikkeling werd veel verwacht. Ook begon rond die tijd het idee van spin torque op te komen: het gebruiken van een stroom elektronen die allemaal dezelfde spin hebben, om magneten mee om te polen. Binnen de zogeheten quantum computation – het gebruiken van quantummechanische eigenschappen van nanodeeltjes of -structuren om berekeningen uit te voeren – werden er verschillende sporen bewandeld. Een van de mogelijkheden waren zogeheten flux qubits, ringetjes van supergeleidend materiaal waar een elektrische stroom linksom, rechtsom of links- en rechtsom tegelijk doorheen loopt. Er waren wat werkende systemen gemaakt. Maar in 2002 was het moeilijk genoeg om met nanofabricagetechnieken één flux qubit te maken, dat het enigszins deed. Het opschalen van het systeem naar meerdere qubits, wat nodig is om er daadwerkelijk mee te kunnen rekenen, was nog niet mogelijk. Op het gebied van fotonica was er eigenlijk helemaal nog geen sprake van nanotechnologie. Flagshipcaptain Albert Polman zegt daarover: ‘Bij de start van NanoNed was nanofotonica een vreemde eend in de bijt. NanoNed ging immers over nano, dus alles met afmetingen van een nanometer. En dat terwijl het paradigma in de fysica altijd was dat nano en licht niet samengingen. Licht kun je niet manipuleren op een schaal die kleiner is dan zijn golflengte, dat wist iedere fysicus. We begonnen het flagship dan ook met de fundamentele vraag: kunnen we licht misschien toch wel op die schaal manipuleren? Toen we het voorstel schreven voor

NN_Publieksboek_v6 28-09-11 12:14 Pagina 31

1. In den beginne

NanoNed dachten we dat in de fotonica Voor de start van NanoNed werd veel verwacht van fotonische kristallen. In deze structuren, die bestaan uit velden van cilindervormige gaatjes of pilaartjes, kan licht van bepaalde golflengtes geblokkeerd worden.

vooral op het terrein van fotonische kristallen de grote doorbraken te verwachten waren. Ook internationaal werd daar veel van verwacht. In publicaties verschenen plaatjes van prachtige 3D-structuren die we allemaal zouden gaan maken, en waarmee we licht op die schaal zouden kunnen manipuleren.’ Ook het BioNanosystems flagship was vooral gestoeld op beloftes. Het onderzoeksveld van de interactie tussen biologische systemen en nanostructuren was begin jaren 2000 nog helemaal nieuw. Datzelfde geldt voor de nanofluidics, de studie van vloeistoffen in nanoliters hoeveelheden. Albert van den Berg, flagshipcaptain: ‘Toen NanoNed, of eigenlijk haar voorloper NanoImpuls, rond 2003 begon, bestond het veld van nanofluidics nog nauwelijks. Het flagship was een risicovolle keuze voor een onderwerp dat veelbelovend was, en waarin allerlei nieuwe fenomenen leken te

'Toen NanoNed begon, bestond nanofluidics nog nauwelijks.'

bestaan. Het flagship was dus al vroeg in de ontwikkeling van het veld actief.’ Toch was het

een logische keuze om juist in Nederland hierin te investeren. ‘Een belangrijke basis voor dit veld ligt in Nederland, onder andere vanuit de MicroTAS-conferentie, een internationale wetenschappelijke conferentie over geminiaturiseerde systemen voor de chemie en de life sciences, die hier zijn basis heeft.’ Binnen Nederland was er heel veel expertise op het terrein van nanotechnologie, maar onderzoekers die niet direct aan hetzelfde onderwerp werkten, kenden elkaar nauwelijks. Om het hele veld een impuls te geven, was een van de hoofddoelen van NanoNed dan ook de vorming van een waar nationaal samenwerkingsverband.

NN_Publieksboek_v6 28-09-11 12:14 Pagina 32

NN_Publieksboek_v6 28-09-11 12:14 Pagina 33

2. Vlaggenschepen in de nanowereld

2 Vlaggenschepen in de nanowereld

NN_Publieksboek_v6 28-09-11 12:14 Pagina 34

2. Vlaggenschepen in de nanowereld

2.1 Organisatie NanoNed was een consortium van zeven universiteiten, TNO en Philips, dat nauw samenwerkte met onderzoeksgroepen van het FOM-Instituut voor Atoom- en Molecuulfysica (AMOLF), de Universiteit Leiden en de Universiteit Utrecht. Het programma was georganiseerd in 11 onderzoeksgerichte flagshipprogrammaâ&#x20AC;&#x2122;s, waarin

Het programma was georganiseerd in 11 flagshipprogramma's.

meerdere partners samenwerkten onder leiding van een wetenschappelijke flagshipcaptain.

Daarnaast was een kwart van het budget bestemd voor infrastructurele investeringen binnen NanoLabNL en WENA. Ook was een deel van het budget bestemd voor een Technology Assessment: onderzoek naar toekomstige ontwikkeling van nanotechnologie en maatschappij, wat de impact van de technologie zou kunnen zijn en hoe nanotechnologen daarmee rekening kunnen houden. NanoNed werd aangestuurd door een bestuur bestaande uit acht mensen. Nanotechnologen werken veelal in cleanrooms, extreem stofvrije ruimtes.

Daarnaast was er een industriĂŤle adviesraad die tweemaal per jaar bij elkaar kwam en strategisch advies gaf over belangrijke technologische en maatschappelijke ontwikkelingen, trends en behoeften. De dertien leden van deze raad waren senioronderzoekers, directeuren en managers van de leidende Nederlandse nanotechnologiebedrijven. Om de valorisatie van het onderzoek te stimuleren, was er tot slot een valorisatieplatform ingesteld, dat de onderzoekers ondersteunde bij het verder brengen van hun wetenschappelijke kennis richting productontwikkeling. Hiervoor organiseerde het platform mogelijkheden tot training, coaching en begeleiding bij het opzetten van een start-up bedrijf.

NN_Publieksboek_v6 28-09-11 12:14 Pagina 35

2. Vlaggenschepen in de nanowereld

Licht op een chip NanoNedonderzoekers van het FOM-Instituut AMOLF en de Universiteit Twente hebben een nieuw soort lichtbron ontwikkeld. Deze elektrische plasmonbron zendt plasmongolven uit; lichtgolven die zo klein zijn dat ze in een computerchip passen. De nieuwe lichtbron brengt voor het eerst glasvezelcommunicatietechnologie en computertechnologie bij elkaar. Wereldwijd wordt veel onderzoek gedaan naar plasmonen: ultrakleine elektromagnetische golven die zich voortplanten aan het oppervlak van een metaal. Plasmonen hebben een sterke interactie met de elektronen in het metaal, waardoor de golflengte wordt verkleind. Daarom kunnen plasmongolven zich bijvoorbeeld door extreem kleine gaatjes persen, zoals in 1998 werd ontdekt door de Franse onderzoeker Thomas Ebbesen. In laboratoriumexperimenten werden plasmonen tot nu toe opgewekt met complexe laseropstellingen. In het ontwerp van het Amsterdam-Twentse team zijn de plasmonen voor het eerst elektrisch opgewekt. De onderzoekers bouwden daarvoor met behulp van nanotechnologie een schakeling die bestaat uit twee dunne metaalfilms, met daartussen siliciumdeeltjes ter grootte van slechts enkele nanometers. Door een elektrische spanning tussen de metaalfilms aan te leggen raken de siliciumdeeltjes aangeslagen, waarna ze hun energie uitzenden in de vorm van plasmongolven. De frequentie van de plasmonen wordt bepaald door de diameter van de nanodeeltjes. Doordat plasmonen zo'n korte golflengte hebben en als het ware heel dicht tegen het metaal-oppervlak zijn aangeplakt, kunnen er extreem kleine optische schakelingen mee worden gebouwd met afmetingen van slechts tientallen nanometers. Zo wordt het mogelijk optische communicatietechnologie, waarvoor nu nog relatief dikke glasvezels nodig zijn, te integreren met de elektrische chipindustrie, waar dimensies van slechts tientallen nanometer een rol spelen. Het licht wordt dan in de vorm van plasmonen over de computerchip geleid.

Elektrische plasmonbron. Plasmongolven planten zicht voort tussen twee gouden metaalfilms. Zij worden opgewekt door silicium nanodeeltjes die door de kleine bolletjes rechtsonder worden weergegeven. Via kleine gaatjes aan de bovenkant ontsnappen de plasmonen naar buiten, waar ze in een microscoop kunnen worden opgevangen.

NN_Publieksboek_v6 28-09-11 12:14 Pagina 36

2. Vlaggenschepen in de nanowereld

NanoNed stimuleerde de valorisatie van kennis verder door het beschikbaar stellen van beurzen ter waarde van 25.000 euro (fase 1) en 200.000 euro (fase 2) binnen het Valorisation Grant-programma van Technologiestichting STW, bedoeld om een wetenschappelijk resultaat tot een product of start-up te brengen. Met datzelfde doel stelde het consortium Valorisation Vouchers ter waarde van 50.000 euro beschikbaar aan NanoNedonderzoekers met een commercialiseerbaar idee. Tot slot werden Innovation Awards van vijfduizend euro toegekend als stimuleringsprijzen aan onderzoekers die tijdens hun NanoNedproject een innovatief, kansrijk concept hadden opgeleverd.

2.2 Flagships Maken Nanotechnologie houdt zich bezig met het maken, meten en karakteriseren, begrijpen en uiteindelijk manipuleren van structuren met afmetingen van een tot honderden nanometers. Het gaat hierbij vaak om materialen die nog niet bestaan, of structuren die nog nooit eerder op die kleine schaal gemaakt zijn. Voordat zoâ&#x20AC;&#x2122;n materiaal of structuur gemaakt kan worden, moeten eerst de juiste instrumenten worden ontwikkeld. Bijvoorbeeld een bundel van ionen, die hele kleine patronen met grote nauwkeurigheid kan schrijven. Want als er voor een bepaalde toepassing streepjes nodig zijn van tien nanometer dik, die maar tien nanometer uit elkaar staan, is een minimale afwijking in het Op nanometerschaal vertonen zelfs op het oog gladde materialen grillige structuren. Dit is pentaceen, een organisch materiaal.

schrijfinstrument al snel fataal. De elf flagships binnen NanoNed hielden zich bezig met al deze

NN_Publieksboek_v6 28-09-11 12:14 Pagina 37

2. Vlaggenschepen in de nanowereld

verschillende stadia binnen nanotechnologie. Van het ontwikkelen van nieuwe instrumenten en meetmethoden, tot het daadwerkelijk maken van nieuwe materialen met nieuwe eigenschappen. Binnen het flagship NanoInstrumentation lag de focus met name op het oplossen van instrumentatieproblemen die de productie beperken van halfgeleiderproducten met afmetingen onder de twintig nanometer. NanoInstrumentation richtte zich hierbij met name op lithografie met extreem ultraviolet licht, zoals die door de Nederlandse chipmachinefabrikant ASML wordt ontwikkeld; nieuwe manieren om met lithografie structuren te maken met afmetingen van twee tot twintig nanometer; fundamentele studies naar de interactie tussen elektronen of ionen en de materialen waarin men wil schrijven; en Nanotechnologie houdt zich bezig met allerlei soorten materie op de schaal van 1 tot 100 nanometer. Op deze schaal spelen onder andere processen in cellen zich af, zoals de interactie van DNA met eiwitten.

het ontwikkelen van methodes voor kwaliteitscontrole en inspectie. Want in de onvoorstelbaar kleine nanowereld, is elke onvolkomenheid meteen desastreus.

Het flagship NanoFabrication draaide om de ontwikkeling van algemene fabricagemethoden die toepasbaar zijn in een grote variëteit aan materialen en op verschillende ondergronden. Denk aan het direct stansen van nanostructuren met behulp van verschillende chemicaliën. Zulke strategieën moeten de ontwikkeling mogelijk maken van nieuwe technologieën voor industriële nanofabricageprocessen met een resolutie onder de honderd nanometer. Binnen het flagship combineerde men topdown en bottom-up processen. De belangrijkste nadruk lag op het combineren van deze methodes in nieuwe strategieën om patronen te schrijven. Zo worden compleet nieuwe toepassingen mogelijk, bijvoorbeeld data-opslag met een hoge informatiedichtheid, gevoelige biosensoren en fotonische en elektronische componenten.

NN_Publieksboek_v6 28-09-11 12:14 Pagina 38

2. Vlaggenschepen in de nanowereld

Binnen NanoNed is veel geld bestemd voor de aanschaf van state-of-the-art apparatuur. Zo maakte de hier afgebeelde dual-beam, een combinatie van een ionendepositie-installatie en een scanning electronenmicroscoop, de productie mogelijk van driedimensionale structuren met afmetingen van ongeveer tien nanometer.

Binnen Bottom-up Electronics gebruikten de wetenschappers chemische synthese om functionele componenten zoals transistors, geheugenelementen, sensoren, en lichtbronnen te maken. Bij de bottom-up benadering is manipulatie mogelijk op de schaal van individuele atomen of moleculen, en dat is de ultieme mate van ontwerpen. Een van de fundamentele vraagstukken

Manipulatie is mogelijk op de schaal van atomen en moleculen, de ultieme mate van ontwerpen.

waarnaar gekeken werd, was hoe componenten met nanometerafmetingen gekoppeld moeten worden aan bedrading op

macroscopische schaal, die nodig is om een element aan te kunnen sturen. Daarnaast heeft men gekeken naar combinaties van organische en anorganische elementen als nieuwe mogelijkheid om steeds kleinere structuren te kunnen maken met de gewenste functionaliteit. Naast nieuwe fabricagemethoden, werd er binnen NanoNed ook gewerkt aan het ontwikkelen van nieuwe materialen met nieuwe eigenschappen.

NN_Publieksboek_v6 28-09-11 12:15 Pagina 39

2. Vlaggenschepen in de nanowereld

Binnen het flagship NanoElectronic Materials zocht men zowel binnen de organische als de anorganische chemie naar nieuwe materialen met nieuwe functionaliteiten en verbeterde prestaties. Moderne technieken werden gebruikt voor het fabriceren van nieuwe vormen, zoals nanodraden en nanodots, en het karakteriseren van hun fysische en chemische eigenschappen. Binnen het flagship werd gekeken naar de effecten van afmeting, structuur en grensvlakken op diverse materiaaleigenschappen. Hoe be誰nvloedt een grensvlak tussen een organisch en een anorganisch materiaal de richting van de elektrische spin, de elektrische geleiding, of het magnetisch gedrag? Om deze eigenschappen te bestuderen en begrijpen, werden structuren en componenten gebouwd die als prototypes kunnen dienen voor toekomstige applicaties. Tegelijk werden nieuwe gereedschappen en materialen ontwikkeld om dit soort materialen te kunnen verwerken in producten.

Meten en karakteriseren Om nanostructuren goed te kunnen bestuderen en karakteriseren, zijn state-of-the-art microscopietechnieken onmisbaar. Het flagship Advanced NanoProbing had als hoofddoel het ontwikkelen van nieuwe scanning probe technieken om de eigenschappen van materialen op een nanoschaal te bestuderen en manipuleren. Binnen het flagship monteerde men onder

Door steeds verder in te zoomen, wordt uiteindelijk de allerkleinste structuur zichtbaar.

NN_Publieksboek_v6 28-09-11 12:15 Pagina 40

2. Vlaggenschepen in de nanowereld

In cleanrooms wordt vaak gewerkt met geel licht. Wit licht bevat ultraviolette straling, die de fotogevoelige laag op wafers deels belicht, wat fouten veroorzaakt.

NN_Publieksboek_v6 28-09-11 12:15 Pagina 41

2. Vlaggenschepen in de nanowereld

andere verschillende soorten moleculen aan de meettip van de probes. Met deze zogeheten gefunctionaliseerde probes werden onder andere metingen gedaan voor medische en biologische toepassingen. Daarnaast werd gekeken naar gereedschappen om systemen onder natuurgetrouwe omstandigheden zoals hoge drukken en in vloeistofomgevingen te kunnen bekijken en manipuleren.

Begrijpen Omdat nanotechnologie nog een ontluikend vakgebied is, draaide bijna al het NanoNedonderzoek in essentie om het begrijpen van het gedrag van nanostructuren. Want zelfs hele bekende materialen als metalen gedragen zich ineens heel anders als ze

Zelfs bekende materialen gedragen zich ineens heel anders op nanoschaal.

worden verkleind tot het niveau van enkele atomen. Toch was er binnen het pro-

gramma een aantal flagships dat zich, meer nog dan andere, meteen al vanaf het begin stortte op het op een fundamenteel begrijpen van het veelal quantummechanische gedrag van de nanowereld. Quantum Computation bijvoorbeeld, ging om het verkennen van de mogelijkheden van het gebruiken van quantummechanische eigenschappen om mee te rekenen. Volgens de quantummechanica kunnen in nanostructuren eigenschappen optreden die in de normale

NN_Publieksboek_v6 28-09-11 12:15 Pagina 42

2. Vlaggenschepen in de nanowereld

wereld ondenkbaar zijn. De belangrijkste hiervan zijn superpositie en verstrengeling. Superpositie houdt in dat een deeltje zich tegelijk in meerdere toestanden kan bevinden. Zo werkten NanoNedonderzoekers aan supergeleidende ringetjes, waarin de elektrische stroom tegelijk zowel linksom als rechtsom loopt. Verstrengeling betekent dat twee afzonderlijke objecten Binnen NanoNed onderzocht men nieuwe materialen, en hun mogelijkheden voor bijvoorbeeld nanoelektronica. Dit is een opname gemaakt met een atoomkrachtmicroscoop van een laagje grafeen waar metalen elektroden op gezet zijn. Op deze manier kunnen de elektrische transporteigenschappen van het materiaal worden bestudeerd.

zodanig verbonden zijn, dat ze altijd van elkaar weten wat er met de ander gebeurt. En daarvoor hoeven ze niet in dezelfde ruimte te zijn. Binnen dit flagship probeerden de onderzoekers te begrijpen

hoe deze fenomenen in de praktijk werken om quantumbits te maken, de rekeneenheid van een toekomstige quantumcomputer. Tegelijk zochten ze naar mogelijkheden om deze qubits met behulp van supergeleidende elektronica aan te sturen. Het flagship NanoPhotonics richtte zich geheel op licht. Precies gezegd: de emissie, het geleiden, het versterken en het schakelen van licht, maar dan op lengteschalen die kleiner zijn dan de golflengte. Hiervoor is een fundamenteel begrip nodig van het gedrag van licht wanneer het bijvoorbeeld wordt opgesloten in structuren met afmetingen van enkele tientallen nanometers. Binnen het BioNanosystems flagship keek men naar de natuur. Door de macromoleculaire componenten van levende systemen te analyseren, probeerde men te leren hoe zo efficiënt en elegant mogelijk systemen ontworpen moeten worden die

De natuur diende als inspiratie voor nieuwe systemen.

specifiek voor een bepaalde taak bedoeld zijn. Eén manier is om natuurlijke moleculen te nemen en

die naar wens aan te passen, bijvoorbeeld om medicijnen op een bepaalde plaats in het lichaam te laten vrijkomen. De andere aanpak was om natuurlijke molecuulcomplexen synthetisch na te maken, en het gedrag van de ‘kunst’variant in detail te bestuderen.

NN_Publieksboek_v6 28-09-11 12:15 Pagina 43

2. Vlaggenschepen in de nanowereld

Collega-flagship Chemistry and Physics of Individual Molecules had veel overeenkomsten hiermee. De wetenschappers binnen dit flagship bestudeerden de werking van individuele organische moleculen, biomoleculen en nanodeeltjes. Om dat te kunnen doen, ontwikkelden zij zelf nieuwe technieken en procedures die nodig zijn voor de bestudering van een enkel molecuul. Studies van individuele moleculen leveren interessante informatie op, omdat het gedrag van materialen eigenlijk een statistisch gemiddelde is van het collectieve gedrag van alle aanwezige moleculen. Uiteindelijk is binnen het onderzoek de focus gelegd op moleculaire motoren en schakelaars, en het deponeren van moleculaire lagen op verschillende substraten.

Manipuleren Uiteindelijk had het hele NanoNedprogramma tot doel het vergroten van kennis over nanostructuren, om via nanotechnologie nieuwe toepassingen mogelijk te maken. Om zover te komen, moet men het gedrag van de gebruikte bouwstenen kunnen manipuleren. Twee flagships hadden dit doel al min of meer bij de start van het programma in het vizier. Nanofluidics draaide om het gedrag van vloeistoffen en gassen op nanometerschaal. Door de vloeistoffen met behulp van elektrische en optische technieken binnen microkanaaltjes te manipuleren, wilden de onderzoekers inzicht verkrijgen in moleculaire interacties binnenin het gas of de vloeistof, en tussen het stromende medium en de wand van de kanaaltjes. Deze kennis is onder andere van belang voor de ontwikkeling van nieuwe medicijnen, nieuwe diagnostische analysetechnieken en moleculaire geneeskunde.

NN_Publieksboek_v6 28-09-11 12:15 Pagina 44

2. Vlaggenschepen in de nanowereld

NanoSpintronics tenslotte wilde de spin – het rondtollen van een elektron om zijn as – kunnen manipuleren om hem te gebruiken voor transport en opslag van data, bijvoorbeeld in magnetische geheugens of sensoren. Daarnaast wilde men onderzoeken wat er gebeurt als een stroom van deze spins wordt geïnjecteerd in een halfgeleidermateriaal of in een nanostructuur, en of deze methode de basis zou kunnen vormen voor toepassingen gebaseerd op compleet nieuwe natuurkundige concepten.

2.3 Infrastructuur Nanostructuren zoals onderzoekers ze willen bestuderen, zijn niet te koop. Sterker nog, de meeste structuren worden tijdens het onderzoek ‘uitgevonden’. Ook de apparatuur die nodig is om de gemaakte structuren te kunnen zien, wordt al doende ontwikkeld. Om vooruit te kunnen komen binnen de nanotechnologie, moeten wetenschappers de beschikking hebben over hoogwaardige, gespecialiseerde fabricage- en karakterisatieapparatuur. NanoNed heeft daarom een groot deel van haar budget geïnvesteerd in faciliteiten binnen NanoLabNL en WENA. NanoLabNL fungeert als een nationaal laboratorium, waarvan de faciliteiten zijn verdeeld over drie locaties: Delft, Groningen en Twente. Op De faciliteiten van NanoLabNL zijn verdeeld over drie locaties. Elke locatie heeft zijn eigen specialisatie, zoals het schrijven met elektronenbundels, het werken in vacuüm bij lage vervuilingsgraden of het groeien van atomaire lagen materiaal.

deze drie locaties is een bepaalde basis aan faciliteiten voorhanden – denk aan cleanrooms, elektronenmicroscopen en vacuümsystemen – maar daarnaast heeft elke locatie zijn eigen specialiteit. In Delft kan men aan de Technische Universiteit schrijven met elektronenbundels, en met geavanceerde plasma-etsen. Bij TNO is de meeste kennis en apparatuur aanwezig voor het werken in vacuüm bij lage vervuilingsgraden. In Twente kan men bijzonder goed materialen op nanoschaal groeien. En Groningen is van oudsher expert in het groeien en bestuderen van individuele organische moleculen. NanoLabNL is niet exclusief voorbehouden aan NanoNed-

NN_Publieksboek_v6 28-09-11 12:15 Pagina 45

2. Vlaggenschepen in de nanowereld

onderzoekers. Iedereen die belangstelling heeft, kan er gebruik van maken. Investeringen binnen WENA (Wageningen, Eindhoven, Nijmegen, Amsterdam) moesten ervoor zorgen dat onderzoekers met bijvoorbeeld speciale atoomkrachtmicroscopen of optische microscopen tot in groot detail de nieuw ontwikkelde structuren en materialen konden bekijken.

2.4 Technology Assessment Het Technology Assessment deelprogramma had tot doel om methodes te ontwikkelen waarmee de rol en effecten van opkomende technologieën kunnen worden geëvalueerd waarvan de consequenties nog niet bekend zijn. Daarnaast werden

Daarnaast werden aspecten bestudeerd als risico's, verantwoordelijkheid en hoe het algemene publiek nanotechnologie ziet.

maatschappelijke aspecten bestudeerd, zoals risico’s, verantwoordelijkheid en hoe het algemene publiek

nanotechnologie ziet. Centraal stond het ontwikkelen van methodes die de kloof zouden kunnen dichten tussen innovatie en ethische, juridische en maatschappelijke aspecten die kleven aan nieuwe technologie.

NN_Publieksboek_v6 28-09-11 12:15 Pagina 46

3. Kennis van het kleine

NN_Publieksboek_v6 28-09-11 12:15 Pagina 47

3. Kennis van het kleine

3 Kennis van het kleine

NN_Publieksboek_v6 28-09-11 12:15 Pagina 48

3. Kennis van het kleine

NanoNed was een van de eerste grote echt multidisciplinaire nationale onderzoeksinitiatieven. Nanowetenschap bestrijkt vakgebieden als chemie, natuurkunde, biologie, elektrochemie en materiaalkunde, en dat op hele kleine schaal. Als er zes jaar lang met honderden mensen en voor honderden miljoenen euroâ&#x20AC;&#x2122;s onderzoek wordt gedaan aan al deze facetten van nanotechnologie, wat levert dat dan op? Onder andere meer dan tweehonderd gepromoveerde onderzoekers, die met hun kennis en ervaring een belangrijke bijdrage leveren aan de Nederlandse hightechindustrie. Nieuwe bedrijven, patenten en demonstratiemodellen. Een nationaal netwerk van experts. Een nationale labfaciliteit. Maar vooral kennis, van een zeer hoge kwaliteit. Het zogeheten peer reviewed artikel, een wetenschappelijke publicatie die wordt beoordeeld door collegawetenschappers, is de internationaal gehanteerde maatstaf voor het bepalen van de kwaliteit van de wetenschappelijke output. Meer dan 1340 artikelen schreven NanoNedonderzoekers in dit soort tijdschriften. Daarnaast leverden ze nog 275 bijdragen voor andere wetenschappelijk publicaties, zoals hoofdstukken voor boeken. Wetenschappelijke prestatie is ook af te lezen aan het aantal lezingen waarvoor onderzoekers worden geselecteerd. Dat waren er binnen die zes jaar van het programma meer dan 3600.

peer-reviewed artikelen

1347

overige wetenschappelijke publicaties

275

aantal proefschriften1

136

waarvan cum laude

aantal noemenswaardige lezingen

3624

aantal prestigieuze prijzen/benoemingen

177

1 Dit getal betreft het aantal proefschriften dat is betaald uit de subsidiegelden, die ongeveer de helft van het totale budget van NanoNed vormden. Het totaal aantal proefschriften dat is opgeleverd binnen het programma, zal ongeveer een factor twee keer zo groot zijn.

NN_Publieksboek_v6 28-09-11 12:15 Pagina 49

3. Kennis van het kleine

Daarnaast werden aan vele NanoNedonderzoekers prestigieuze prijzen en benoemingen toegekend. Zo was het voor NanoNed bijna een jaarlijks gegeven dat een van haar onderzoekers een Spinozapremie ontving, de hoogste Nederlandse prijs voor de wetenschap.

Spinozawinnaars werkzaam binnen NanoNed

Deze resultaten zijn veel beter dan men bij de aanvang van het programma had verwacht. Wat heeft men nu in die zes

2009

Albert van den Berg (1957)

jaar zoal ontdekt? Dit hoofdstuk bevat

2008

Theo Rasing (1953)

een bloemlezing van de belangrijkste,

2007

Leo Kouwenhoven (1963)

meest opvallende en meest onverwachte

2005

Detlef Lohse (1963)

wetenschappelijke ontdekkingen en

2004

Ben Feringa (1951)

doorbraken.

2003

Cees Dekker (1959)

3.1 Maken Om nanostructuren te kunnen maken, is beheersing nodig over een aantal verschillende aspecten. Men moet de juiste materialen gebruiken, er zijn instrumenten nodig om die materialen mee te bewerken, en er moeten methodes worden ontwikkeld om structuren te kunnen aanbrengen en elektrisch, magnetisch of optisch te kunnen aansturen. Met al deze facetten heeft NanoNed zich beziggehouden, veelal op maat voor specifieke toepassingen, maar ook generiek. Dat laatste gebeurde met name binnen de flagships NanoElectronic Materials, NanoInstrumentation, NanoFabrication, en Bottom-up Electronics.

3.1.1 Materialen Op het gebied van materialen heeft men zich gericht op het samenstellen van nieuwe Nieuwe materialen kunnen bijna atoom voor atoom worden opgebouwd. Het resultaat kan worden bekeken met bijvoorbeeld een STM.

nanomaterialen en het karakteriseren ervan. Daarnaast zijn er nieuwe manieren

NN_Publieksboek_v6 28-09-11 12:15 Pagina 50

3. Kennis van het kleine

ontwikkeld om materialen te maken. Flagshipcaptain Guus Rijnders (Universiteit Twente) van NanoElectronic Materials licht toe wat de belangrijkste opgave was waar het materiaalonderzoek voor stond: ‘We wilden op atomair niveau structuren en composities kunnen veranderen, en kunnen bestuderen wat kleine objecten in materialen voor effecten hebben op de eigenschappen van dat betreffende materiaal. Verkleinen van materialen tot nanoschaal betekent dat je controle wilt hebben over de compositie, dus de soort atomen, maar ook over de structuur waarin ze georganiseerd zijn. Op die manier kun je eigenschappen van een materiaal manipuleren, en desgewenst geheel nieuwe eigenschappen creëren.’ Het flagship richtte zich vanaf het begin op drie types materialen: organische kristallen, nieuwe materialen met nieuwe eigenschappen op grensvlakken tussen verschillende lagen, en nanodraden en quantumdots, oftewel structuren die zo klein zijn dat quantumeffecten een belangrijke rol gaan spelen. NanoNedonderzoekers probeerden nieuwe materialen net als LEGOblokjes op elkaar te stapelen.

Geprinte videofilms Rijnders geeft een kort overzicht van de belangrijkste mijlpalen: ‘Ons flagship heeft veel nieuwe inzichten geleverd in wat er met nanotechnologie mogelijk is op elektrisch, optisch en magnetisch gebied. Op alle drie de terreinen die we hadden gedefinieerd hebben we mooie resultaten behaald. Zo hebben onderzoekers uit Groningen anorganische en organische lagen gecombineerd tot een hybride materiaal met magnetische eigenschappen.’ Anorganische materialen hebben goede magnetische en geleidende

Hybrides van organische en anorganische materialen combineren de beste eigenschappen.

eigenschappen, waardoor ze geschikt zijn voor gebruik in elektronica. Organische materialen

hebben deze eigenschappen niet, maar zijn flexibel, goedkoop en oplosbaar. Zogeheten hybrides van organische en anorganische materialen combineren deze kenmerken: ze zijn flexibel en oplosbaar, en hebben bovendien magnetische eigenschappen waarmee een geheugeneffect kan worden bereikt. Deze combinatie kan in de toekomst leiden tot een bijzondere toepassing: met inkt geprinte videofilms.

NN_Publieksboek_v6 28-09-11 12:15 Pagina 51

3. Kennis van het kleine

Magneetgeheugen praat met transistor Een laagje van slechts een nanometer dik, gemaakt van gadolinium, kan de magnetische wereld koppelen aan de elektronische, ontdekten NanoNedonderzoekers. Hierdoor wordt het mogelijk transistors uit te rusten met een magnetische geheugenlaag. Geheugen dat direct gekoppeld wordt aan rekenkracht is energiezuinig en efficiënt en levert nieuwe functionaliteit op. Magnetische geheugens, zoals de harde schijf in een computer, berusten op een geheel andere technologie dan elektronische schakelingen. Tot nu toe lukte het niemand om een magnetische laag succesvol te combineren met elektronica. Toch is dat interessant, want een magnetisch geheugen heeft geen extra energietoevoer nodig om zijn inhoud vast te houden. Zou een magnetische geheugenlaag direct worden aangebracht op een transistor, dan ontstaat een krachtige nieuwe component om rekenkracht direct te koppelen aan geheugenwerking. Het energieverbruik kan daardoor omlaag, wat zeker van belang is voor mobiele toepassingen. Op silicium, hèt basismateriaal voor halfgeleiderelektronica, was die koppeling nog niet mogelijk. Voor enkele andere halfgeleiders al wel. 'Wij hebben laten zien waaraan dit ligt', aldus onderzoeker Ron Jansen. 'Als je een laag magnetisch materiaal in contact brengt met silicium ontstaat een barrière en is de weerstand een factor honderd miljoen te groot. De magnetische informatie kan daardoor met geen mogelijkheid het grensvlak tussen de magneetlaag en het silicium passeren.' Met dat uitgangspunt zijn de onderzoekers aan de slag gegaan om tot een verrassend effectieve oplossing te komen. Ze kiezen daarvoor het materiaal gadolinium, dat speciaal is omdat een elektron vanuit dat materiaal makkelijk kan overstappen naar een naastgelegen materiaal. Een laagje van één nanometer dik, aangebracht tussen silicium en het magnetische materiaal, laat de barrière verdwijnen, zonder daarbij het magnetische materiaal te beschadigen. Dat maakt dat de elektronica wèl in contact komt met de magnetische informatie. Nu het contactprobleem tussen magnetische en elektrische onderdelen is opgelost, kunnen onderzoekers nieuwe componenten gaan ontwerpen waarin elektronica en magnetische technologie wordt gecombineerd. De eerste magnetische transistor is daardoor binnen handbereik gekomen.

Een dun laagje gadolinium zorgt ervoor dat de informatie die is opgeslagen in het magnetische materiaal zijn weg vindt naar het silicium.

NN_Publieksboek_v6 28-09-11 12:15 Pagina 52

3. Kennis van het kleine

Rijnders vervolgt: ‘Daarnaast hebben we in Twente met combinaties van Op het grensvlak tussen twee materialen die elektrisch isolerend zijn, ontstond een geleidend elektronengas.

twee materialen die zelf elektrisch niet-geleidend zijn, op het grensvlak tussen de twee materialen een geleidend elektronengas gemaakt. Dus twee materialen die elektrisch dood zijn, maken samen aan het interface een goedgeleidend materiaal. Dat was een ander verrassend resultaat.’ Ook binnen de derde klasse materialen zijn doorbraken bereikt, zegt de materiaalonderzoeker. ‘Er zijn al werkende componenten gemaakt met nanodraden en quantumpunten. Zo wisten onderzoekers uit Delft samen met Philips licht te genereren met quantumpunten die gemaakt waren in nanodraden.’ Op deze manier is de weg geopend voor een hele nieuwe generatie LEDs, die zelfs op een chip geïntegreerd zouden kunnen worden. En daarmee zou een groot probleem in de optische communicatie zijn opgelost. Op een chip verloopt de communicatie nu nog vooral via elektrische circuits. Om deze informatie via glasfibers verder te verspreiden, moet deze informatie dus eerst nog worden omgezet in licht. En juist bij die omzetting zijn de verliezen groot. Er is niet alleen gewerkt aan de drie klassen van materialen die bij de start van het programma al bekend waren, benadrukt Rijnders. ‘Halverwege de looptijd van NanoNed kwam de ontdekking van grafeen. Daar zijn wij ook meteen opgedoken.’ Zo bestudeerden de onderzoekers onder andere de elektrische transporteigenschappen van grafeen, en de mogelijkheden om er elektrische componenten van te maken. Rijnders is tevreden over de progressie die is bereikt. ‘In de tijd dat NanoNed van start ging, bestonden er nog geen hybride materialen. We waren net begonnen met studies van grenslagen. De ontdekkingen die we op dat terrein gedaan hebben, hebben het veld wel op zijn kop gezet. Organische LEDs waren er al wel, de vragen die we daarover hadden opgesteld in het onderzoeksvoorstel waren dus veel specifieker van aard. Hoe lopen de elektrische stromen door het materiaal, hoe kunnen we

NN_Publieksboek_v6 28-09-11 12:15 Pagina 53

3. Kennis van het kleine

homogeniteit van het materiaal garanderen? Dat soort fenomenen is nu veel beter begrepen.â&#x20AC;&#x2122; En daarmee ligt de weg naar grootschaliger toepassing van deze nieuwe klasse materialen open.

3.1.2 Instrumenten Om materialen en structuren te kunnen manipuleren op nanoschaal, is specifieke apparatuur en kennis nodig. Het flagship NanoInstrumentation ontwikkelde nieuw instrumentarium om op zo klein mogelijke schaal, zo veel mogelijk controle te hebben over gemaakte structuren. Een van de onderwerpen waar men zich op richtte, was lithografie met behulp van extreem ultraviolet licht met een golflengte van 13,5 nanometer. Lithografie is het onderdeel in de productieketen van computerchips dat bepaalt welke mate van miniaturisatie mogelijk is. In deze fase worden de patronen van de geĂŻntegreerde schakelingen overgedragen op een wafer, een dun schijfje silicium. Het patroon bepaalt de plaats waar in een latere fase van het Chipmachine van de Nederlandse fabrikant ASML.

productieproces het geleidende of isolerende materiaal komt, wat uiteindelijk een elektrisch circuit vormt. Hoe kleiner deze patronen kunnen zijn, hoe complexer het ontwerp van de microchip wordt. Tot op heden werken chipmachinefabrikanten met licht om deze patronen mee te maken. Begin 2000 waren de eerste stappen gezet om hiervoor extreem ultraviolet licht te gebruiken. Dat is een factor vijftien kleiner dan tot dan toe gebruikt werd. NanoNedonderzoekers wilden het proces verbeteren om met licht met deze kleine golflengte structuren te schrijven. De kleinst mogelijke structuren die met deze techniek te schrijven zijn, zouden in de orde van twintig nanometer moeten kunnen liggen. Binnen

NN_Publieksboek_v6 28-09-11 12:15 Pagina 54

3. Kennis van het kleine

Schematische tekening van het lithografiesysteem dat binnen NanoInstrumentation werd gemodelleerd.

NanoNed werden naast lithografie ook nieuwe technieken onderzocht waarmee nog fijnere patronen zouden kunnen worden gemaakt, met kritische afmetingen van twee nanometer.

Optische levensduur Diederik Maas (TNO), flagshipcaptain van NanoInstrumentation, vertelt wat er inmiddels op dit terrein mogelijk is. ‘Een van de belangrijkste opbrengsten van het onderzoek was de grote bijdrage die we hebben geleverd aan het vergroten van de zogeheten optics lifetime van EUVchipmachines.’ Dit is de tijd dat een

'Over enkele jaren heeft iedereen iets in zijn broekzak wat is gemaakt met een EUV-waferstepper.'

machine in normaal bedrijf bruikbaar is zonder dat er onderdelen zodanig beschadigd en vervuild zijn dat het apparaat niet

goed meer werkt. ‘Dit lijkt misschien wat ver weg te staan van de maatschappij, maar niets is minder waar. Over enkele jaren heeft iedereen wel iets van elektronica in zijn broekzak wat is gemaakt met een EUVwaferstepper.’ Denk aan de nieuwe generatie smartphones, of e-readers. Er werd en wordt veel verwacht van de EUV-techniek, alleen kampte die in eerste instantie nog met veel problemen. Een van die problemen was dat belichting met EUV-licht ervoor zorgt dat de spiegels die het licht in zo’n waferstepper van de lichtbron naar het te belichten oppervlak leiden, binnen de kortste keren beslaan met een laag koolstof. Daarmee gaat de effectiviteit van die spiegels heel snel omlaag. Er gaat dan veel licht

NN_Publieksboek_v6 28-09-11 12:15 Pagina 55

3. Kennis van het kleine

verloren dat niet meer wordt weerkaatst. Maas zegt trots: ‘TNO heeft met NanoNedapparatuur ontdekt waar die vervuiling vandaan komt, en een proces ontwikkeld dat die vervuiling voorkomt. Zo zie je dat academische kennis kan zorgen voor een doorbraak in een wereldwijde markt van lithografiemachines.’ En het bleef niet bij het meten van vervuiling. Maas: ‘We hebben ook een tapetank gebouwd waarin een kopertape nadoet wat er binnen zo’n machine gebeurt als je een wafer aan het belichten bent. Zo konden we precies zien welke gassen er onder invloed van het extreem energetische licht uit de fotogevoelige laag verdampen. We hebben zo de hele waardeketen te pakken: van toeleveranciers, via producenten als ASML en Zeiss tot eindklanten zoals Samsung, IBM of Intel die zo’n machine daadwerkelijk gebruiken om chips mee te maken.’ Op dit moment zijn de eerste vijf EUV-machines al naar klanten verscheept. NanoNed heeft hiervoor essentiële investeringen gedaan in onderzoeksapparatuur bij TNO. Maas vat de gemaakte voortgang samen: ‘In 2002 was EUV nog een belofte, maar nog onmogelijk. Nu is de techniek marktrijp. De problemen zijn opgeschoven van de machine zelf naar de infrastructuur die je ervoor nodig hebt, zoals maskers en dergelijke.’

Hartsensor Maar ook op andere terreinen hebben de onderzoekers voortgang geboekt, die soms op verrassende terreinen tot toepassing leidt. Maas: ‘Om nog kleinere structuren te schrijven dan momenteel met EUV mogelijk is, namelijk tot afmetingen van pakweg twintig nanometer, hebben we apparaten gekocht en gebouwd waarmee je ook een heel nieuw type sensoren kunt maken. Zo maakten we bijvoorbeeld een optische sensor op silicium die heel gemakkelijk en snel hartfuncties kan meten.’ Instrumentontwikkeling houdt niet alleen in dat bestaande problemen worden opgelost. De onderzoekers hebben ook de Met de Helium Ionen Microscoop maakten de onderzoekers een miniatuurafbeelding van de Chinese dichter Li Bai.

fundamentele grenzen van nieuwe, commercieel beschikbare, technologieën opgezocht. Zo besloten de wetenschappers halverwege het programma om een Helium Ionen Microscoop aan te schaffen en de mogelijkheden hiervan voor fabricage van

NN_Publieksboek_v6 28-09-11 12:15 Pagina 56

3. Kennis van het kleine

Nieuwe metrologische atoomkrachtmicroscoop NanoNedonderzoekers van de Technische Universiteit Eindhoven hebben een nieuwe metrologische atoomkrachtmicroscoop (AFM) ontwikkeld. Deze nieuwe AFM kan een groter scanbereik bemonsteren, waardoor de nauwkeurigheid van de metingen toeneemt. Het Nederlandse metrologisch instituut VSL gaat het instrument gebruiken voor de kalibratie van andere AFM's, om deze zo te standaardiseren. Een atoomkrachtmicroscoop gebruikt een naald om het te scannen oppervlak op atomaire schaal te verkennen. Deze techniek heeft als voordeel dat de metingen niet in hoogvacu端m hoeven te worden uitgevoerd. De resolutie is hoger dan die van een elektronenmicroscoop. Met een meetvolume van 1x1x1 millimeter beschikt het nieuwe instrument over een aanzienlijk groter scanbereik dan de meeste huidige metrologische AFM's. Het ontwerp laat hoge scansnelheden toe waardoor de meettijd, en daarmee de invloed van temperatuurveranderingen op de meetresultaten, beperkt blijft.

Het onderstel van de nieuwe microscoop bevat een holle bal, waar het te bemonsteren materiaal in wordt geklemd. Zo hebben de nauwkeurige metingen geen last van trillingen.

NN_Publieksboek_v6 28-09-11 12:15 Pagina 57

3. Kennis van het kleine

nanostructuren te onderzoeken. ´Dat werd een doorbraak die we niet hadden voorzien,’zegt Maas. ‘We hebben ons eerst verdiept in wat überhaupt de mogelijkheden van de techniek zijn. In de keten idee-bewijs-omzet zijn we met die techniek in de bewijsfase.’ Zo wisten Delftse onderzoekers met deze microscoop als eerste in de wereld patronen te schrijven die slechts veertien nanometer uit elkaar staan, en die zelf zes nanometer klein zijn. De afstand van veertien nanometer tussen de verschillende elementen zou de dataopslag, bijvoorbeeld voor de nieuwe generatie tabletcomputers, met een factor tien kunnen verhogen ten opzichte van de huidige maximale capaciteit. Om de afstand tussen de verschillende patronen zo klein mogelijk te maken, gebruikten de onderzoekers speciaal voor die toepassing ontwikkelde ultradunne lak.

Nano in het heelal Een derde opvallend resultaat was de ontwikkeling van ‘s werelds beste terahertzstralingsdetector, die nu wordt toegepast in de ALMA-telescoop in Chili. Maas legt uit hoe deze koppeling tot stand kwam: ‘We waren op zoek naar nieuwe methoden om nanolithografie te kunnen controleren en kwalificeren, en probeerden daar

Instrumentatie is bij uitstek een discipline die voor al het nano-onderzoek noodzakelijk is.

terahertzstraling voor te gebruiken. Teun Klapwijk van de Technische Universiteit Delft ontwikkelde daar

een bijzonder gevoelige detector voor. Nu maakt terahertzstraling ook onderdeel uit van de drie Kelvin achtergrondstraling in het heelal. Het mooie is dat die straling min meer ongehinderd door de atmosfeer komt. Door die te detecteren, krijg je meer inzicht in ons vroegste heelal. Het lag dus voor de hand om de nieuwe detector daar ook meteen voor te gebruiken.’ Instrumentatie is bij uitstek een discipline die voor al het nano-onderzoek noodzakelijk is. Als ondersteuning van het overige nano-onderzoek werden bijvoorbeeld ook doorbraken bereikt binnen de techniek voor scanning probe microscopie. Maas: ‘Voor een atoomkrachtmicroscoop bijvoorbeeld is het van belang dat je accuraat en precies kunt meten. Dat betekent dat je altijd op exact dezelfde plaats op je proefstuk moet zitten, en dat je je meettip altijd op dezelfde afstand moet kunnen zetten van het oppervlak dat je wilt bekijken. Met de nieuwe stage (bewegend onderstel dat het substraat vasthoudt) die we hebben ontwikkeld, kun je dat binnen een kubieke millimeter nu nauwkeurig doen. Dit betekent dat je op nanometerschaal

NN_Publieksboek_v6 28-09-11 12:15 Pagina 58

3. Kennis van het kleine

nauwkeurig kunt meten in een volume dat een miljoen maal zo groot is. Dat is een enorme verbetering van de bestaande onderstellen, en uniek in de wereld. Aan de Technische Universiteit Eindhoven is daar nu een bedrijf, Nanostage3D, voor opgericht.’ Ondanks deze vele concrete resultaten, waarschuwt Maas voor te hooggespannen verwachtingen van instrumentatieonderzoek. ‘Voor instrumentatie heb je altijd te maken met een kip-eiprobleem: je moet instrumenten hebben voordat je nieuwe parameters kunt ontsluiten, maar je weet van tevoren niet wat een nieuw instrument precies aan kennis gaat opleveren. Instrumentatie is daarmee een investering van lange adem: je moet eerst nieuw instrumentarium aanschaffen of ontwikkelen, daarmee kun je nieuwe fundamentele vragen onderzoeken. Als daar mooie kennis uitkomt, kun je die uiteindelijk gaan toepassen in nieuwe apparaten en daarmee waardevermeerdering behalen.’

3.1.3 Fabricage We hebben nu nieuwe materialen, en het juiste instrumentarium om daar ook bewerkingen en kwaliteitscontroles op te doen. Maar hoe kan men vervolgens op zo’n onzichtbaar kleine schaal ook daadwerkelijk structuren fabriceren? Met name het flagship NanoFabrication heeft zich beziggehouden met het ontwikkelen van generieke methoden voor zowel het top-down als het bottom-up fabriceren van nanostructuren. Flagshipcaptain Jurriaan Huskens (Universiteit Twente) legt uit: ‘Bij bottom-up fabricage moet je in ons geval denken aan het deponeren van opgeloste moleculen in een vloeistof. De vloeistof hecht zich aan het oppervlak en de moleculen formeren zich via zelfassemblage tot structuren.’ Het flagship hield zich bezig met heel uiteenlopende methoden en technieken, met als bindende factor de eis dat ze De SCIL-technologie kan hele kleine structuren nauwkeurig stempelen. Van boven naar beneden: tralies, fotonisch kristal, putjes met afmetingen van minder dan dertig nanometer en microlenzen.

universeel toepasbaar moesten zijn. De belangrijkste resultaten van het flagship liggen dan ook op uiteenlopende terreinen.

Stempelen Huskens: ‘Zo hebben we een nano-imprinttechnologie ontwikkeld, die inmiddels in samenwerking met Philips tot een commercieel

NN_Publieksboek_v6 28-09-11 12:15 Pagina 59

3. Kennis van het kleine

verkrijgbaar product is ontwikkeld. Deze SCIL-technologie heeft tot op heden een uitlijningsprecisie van minder dan vijftig nanometer weten te bereiken. Dat had ik bij de start van NanoNed niet voor mogelijk gehouden.’ Nanoimprinting is letterlijk het stempelen van materiaal in een gewenste vorm. Dit patroon moet eerst worden gemaakt op de stempel, in de vorm van putjes. Deze worden gevuld met het gewenste materiaal, dat vervolgens

SCIL demonstrator.

op een speciaal geprepareerde ondergrond wordt gestempeld. De technologie zelf werkt additief: er wordt telkens een laagje materiaal in een vorm geperst. Het teveel aan materiaal wordt weggeëtst. Daarna komt er een deklaag overheen, en dan wordt de volgende laag gemaakt. De SCILtechnologie is oorspronkelijk ontwikkeld voor het maken van een bepaald type fotonische kristallen. Die kristallen bestaan uit pilaartjes, die in een zeer regelmatig patroon op een zeer regelmatige afstand van elkaar staan. Die paaltjes zelf moeten ook kaarsrecht zijn. De nieuwe technologie maakt het mogelijk om ongeveer vijf lagen materiaal voor die paaltjes met voldoende nauwkeurigheid neer te

'Een mismatch van enkele nanometers is al snel destructief.'

leggen. Huskens: ‘Dat is op zich opzienbarend, maar nog niet genoeg. Je moet de nauwkeurigheid opschroeven totdat je wel twintig

lagen materiaal op elkaar kunt leggen. Dat is een van de grote uitdagingen voor de toekomst.’ Het is overigens geen geringe opgave om die vereiste nauwkeurigheid te behalen, zegt hij. ‘Om een bruikbaar fotonisch kristal te krijgen moet je over een lengte van tweehonderd nanometer op elke tien nanometer een paaltje neerzetten. Dan is een mismatch van enkele nanometers tussen twee lagen al snel destructief.’

NN_Publieksboek_v6 28-09-11 12:15 Pagina 60

3. Kennis van het kleine

Biologisch printen De imprinttechnologie bestond al, maar is in de periode van NanoNed enorm uitgebreid. Zo kan men er nu ook anorganische materialen mee printen. Dat is sowieso een tendens in de nanotechnologie van de afgelopen jaren: organische en anorganische materialen worden steeds meer door elkaar gebruikt. Organische materialen worden geïntegreerd in elektronische, biologische moleculen worden gebruikt voor sensing… Huskens: ‘We kunnen nu bijvoorbeeld ook biomoleculen printen op een oppervlak. De grootste vraag is: hoe doe je dat zonder dat je het molecuul kapotmaakt, en het zijn functionaliteit verliest? Er zijn Schematische afbeelding van het selectief hechten van menselijke kankercellen. Eerst wordt een eiwit op het oppervlak gestempeld (zwarte sliertjes). Vervolgens reageert het ongeprinte oppervlak met toegevoegde chemicaliën tot barrières tussen de eiwitten (geel). Na blootstelling aan menselijke kankercellen, ontstaan eilandjes met menselijke cellen op het oppervlak (roze).

wel wat trucs om het molecuul stabiel te houden, maar verander je dan niets aan zijn oorspronkelijke functionaliteit? Het moeilijke is om stempeltechnieken te ontwikkelen waarmee je complete bioarrays kunt maken, die onder andere worden gebruikt voor medische diagnostiek. We zijn nu bijvoorbeeld aan het kijken of we rechtstreeks een waterige oplossing kunnen stempelen, zodat het biomolecuul zolang mogelijk in zijn natuurlijke omgeving blijft.’ Hij vervolgt: ‘Een tweede probleem is het gecontroleerd hechten: je wilt eigenlijk een molecuul zodanig kunnen vastmaken aan een oppervlak dat het meteen ook zijn gewenste oriëntatie heeft. Dat is bijvoorbeeld van belang voor antilichamen. Op de bioarrays die nu te koop zijn, worden de antilichamen willekeurig gehecht. Die moleculen hebben maar aan een kant hun specifieke receptor. Dat betekent dat van alle moleculen in zo’n array, er maar veertig procent functioneel is. We willen uiteindelijk het oppervlak van ons substraat en de biomoleculen zodanig

Patronen van menselijke kankercellen, verkregen door bovenstaand proces.

behandelen dat de receptor altijd naar boven staat, zodat je honderd procent functionaliteit bereikt.’

NN_Publieksboek_v6 28-09-11 12:15 Pagina 61

3. Kennis van het kleine

Extreem kleine streepjes ultradicht op elkaar NanoNedonderzoeker Vadim Sidorkin heeft tijdens zijn promotie-onderzoek als eerste in de wereld patronen weten te schrijven die slechts veertien nanometer uit elkaar staan, en die zelf zes nanometer klein zijn. Sidorkin onderzocht hoe je zo klein mogelijke structuren kunt schrijven met behulp van elektronenbundels en ionenbundels. Op dit moment gebruikt de industrie vooral licht om extreem kleine structuren te schrijven op halfgeleidermateriaal, bijvoorbeeld om computerchips te maken. Sidorkin gebruikte een door TNO vanuit NanoNedgelden aangeschafte Helium Ionen Microscoop (HIM) om heliumionenbundels te maken. Hiermee wist hij puntjes te schrijven met een diameter van zes nanometer. Voor nanostructuren is het niet alleen belangrijk hoe klein de afzonderlijke streepjes en puntjes zijn, maar ook hoe dicht je ze bij elkaar kunt zetten. Dit is van belang vanwege de vraag naar steeds hogere dichtheid van dataopslag. Chips moeten steeds kleiner worden en toch steeds meer data kunnen bevatten. Dat betekent dat de afzonderlijke enen en nullen dichter bij elkaar moeten staan. De afstand van veertien nanometer die Sidorkin wist te realiseren, zou de dataopslag met een factor tien kunnen verhogen ten opzichte van de huidige maximale capaciteit. Sidorkin vergeleek de prestaties van de heliumionenbundel met die van een elektronenbundel. Met heliumionen bleek het mogelijk om de structuren veel dichter op elkaar te zetten. Omdat heliumionen groter en zwaarder zijn dan elektronen, hoef je ze minder hard op een oppervlak te schieten om een even harde botsing op te leveren. Bijgevolg veroorzaken de heliumionen veel minder schade in het omringende materiaal, doordat ze minder ver weg schieten van het oppervlak en minder ver zijwaarts in de structuur doordringen.

Promovendus Vadim Sidorkin schreef de voorkant van zijn proefschrift met de heliumionenmicroscoop. Deze hele afbeelding past met gemak in de punt achteraan deze zin.

NN_Publieksboek_v6 28-09-11 12:15 Pagina 62

3. Kennis van het kleine

Met holografietechnieken kunnen verschillende structuren gemaakt worden. Op de middelste foto de LIFE sensor, die onder andere kan worden gebruikt voor medische diagnostiek.

Holografie Naast aan de imprinttechnologie, is er ook gewerkt aan een holografietechniek. Deze werkt met polymeren waarvan de reactiviteit afhangt van de hoeveelheid licht die erop valt. Met een holografieopstelling worden locaties op het sample gecreëerd waar sterke danwel zwakke interferentie optreedt. Waar de hoeveelheid licht het grootst is, wordt een reactie in het polymeer opgewekt. Op die manier kunnen patronen worden geschreven. Het polymeer dat niet heeft

Er zijn membranen gemaakt met nanometerporiestructuren.

gereageerd, wordt weer weggewassen. Op die manier zijn al membranen gemaakt met nanometerporiestructuren. Die

membranen zijn vervolgens toegepast in fluïdische devices. Dat leverde onder andere de LIFE-sensor op, en sensor die bestaat uit een microkanaal met daarin een aantal in serie geschakelde moleculaire microfilters. Deze sensor kan bijvoorbeeld gebruikt worden voor medische diagnostiek. Huskens roemt de samenwerking met andere disciplines binnen een flagship. ‘Tijdens de flagshipmeetings zie je mensen uit andere groepen, met andere expertises. Zo kom je op nieuwe ideeën, dat werkt erg stimulerend. Zo heeft mijn groep, die vooral op chemie is gericht, met de biofysicagroep van Vinod Subramaniam eiwitcomplexen onderzocht die licht kunnen opslaan. Wij hebben die eiwitcomplexen met onze printtechnologie in een regelmatig patroon op een substraat gelegd. En vervolgens bleken die complexen in dat patroon hun energie aan elkaar door te geven.’

NN_Publieksboek_v6 28-09-11 12:15 Pagina 63

3. Kennis van het kleine

3.1.4 Bouwen met atomen en moleculen Binnen de halfgeleiderindustrie blijft de roep om steeds kleinere structuren klinken. De beperkingen van de tot op heden gebruikte topdown technologie komen hierbij in zicht. Op dit moment is het in labs mogelijk om top-down, dat wil zeggen met voornamelijk patroneertechnieken, structuren te maken tot minimaal tien nanometer. Nog kleinere structuren maken met top-down processen is lastig en erg duur. Daarnaast kunnen kleine verontreinigingen in het materiaal rampzalige gevolgen hebben in steeds kleinere structuren. Een andere manier om nanostructuren te maken, is om ze atoom voor atoom, molecuul voor molecuul in een gewenste vorm neer te leggen. Binnen NanoNed hield met name het flagship Bottom-up Electronics zich bezig met dit ‘bouwen met Een pyrex wafer waarop een serie moleculaire diodes is gemaakt.

nanolegostenen’. Wilfred van der Wiel (Universiteit Twente), flagshipcaptain, motiveert de belangstelling voor deze aanpak: ‘Als je structuren wilt maken die kleiner zijn dan tien nanometer, heeft de bottom-up aanpak zeker potentie. Je kunt bijna perfecte structuren maken, door gebruik te maken van de selectiviteit van de gebruikte moleculen. We combineren daarvoor chemische engineering en zelfassemblage: de natuur maakt immers zelf zeer succesvol gebruik van deze technieken. Op grotere schaal wordt zelfassemblage echter wel weer lastig, omdat er fouten gaan optreden. Het zou het mooiste zijn als we bottom-up tot op zekere hoogte de chemie zijn werk kunnen laten doen, en dan vervolgens ergens de top-down benadering ontmoeten.’

NN_Publieksboek_v6 28-09-11 12:15 Pagina 64

3. Kennis van het kleine

Zacht polymeer maakt contact Binnen NanoNed is er in eerste instantie gewerkt aan het introduceren van meer systematiek in het maken en doormeten van elektronische structuren. Van der Wiel: ‘We hebben nieuwe methoden ontwikkeld om lagen systematisch en consistent door te meten. Het lag helemaal niet voor de hand dat dat zou lukken. In de beginjaren kreeg je uit twee precies dezelfde metingen aan hetzelfde systeem op verschillende tijdstippen twee totaal verschillende uitkomsten.’ Een grote doorbraak op dit terrein is binnen NanoNed bereikt in Groningen. De grote moeilijkheid van het meten van eigenschappen van individuele moleculen is: hoe meet je zo’n molecuul elektrisch door zonder het kapot te maken? ‘Normaal maak je een elektrisch contact door metalen structuren op te dampen, in een patroon dat eerst in een fotolaklaag is geschreven. Maar op de moleculen die wij gebruiken, hecht de fotolak meestal moeilijk. Vervolgens maken de oplosmiddelen die gebruikt worden om die lak te verwijderen het molecuul kapot, en tot slot vernietigt het metaal zelf de Een moleculaire junctie. De zelfgeassembleerde monolaag is bedekt met een geleidend polymeer (grijs).

moleculaire laag ook vaak. In Groningen is een methode ontwikkeld waarbij een geleidend polymeer zacht op een moleculaire monolaag wordt gezet. Daarbovenop wordt vervolgens een metalen contact gemaakt,’ legt Van der Wiel uit. Dat metaal is alsnog nodig, omdat er relatief lange elektrische bedrading loopt van het molecuul naar het meetinstrument. Hoe langer deze draden zijn, hoe groter de weerstand. Geleidende polymeren hebben een weerstand die vele malen groter is dan die van metaal. Als de bedrading van dit polymeer gemaakt zou worden, is de weerstand hiervan vergelijkbaar met de weerstand van het molecuul dat gemeten moet worden. De weerstand van een metaal is echter ordes van groottes lager, waardoor het te meten signaal duidelijker herkenbaar is. Een ander onderwerp waar de onderzoekers zich mee bezig hebben gehouden, was het introduceren van organische materialen binnen de spintronica, elektronica die gebruik maakt van de spin van een elektron. Van der Wiel: ‘Dat heeft de afgelopen jaren een grote vlucht genomen binnen het flagship. Het idee is dat organische materialen meestal uit lichte elementen bestaan, en dat de spin in die systemen veel beter

NN_Publieksboek_v6 28-09-11 12:15 Pagina 65

3. Kennis van het kleine

behouden blijft dan in de reguliere halfgeleidermaterialen, die uit veel zwaardere elementen zijn opgebouwd. Daarnaast kun je met organische materialen relatief makkelijk combinaties maken.’ Organische materialen worden onder andere gebruikt in organische LEDs en dunne filmtransistoren. Daarvan zijn al commerciële exemplaren op de markt verkrijgbaar.

Maatwerk Het werken met individuele moleculen brengt specifieke uitdagingen met zich mee, legt Van der Wiel uit: ‘Het probleem in onze tak van sport is dat elk molecuul dat je wilt gebruiken, zijn eigen gebruiksaanwijzing heeft. Oppervlakken moeten op maat behandeld worden, de elektrische contacten moeten worden aangepast aan het soort molecuul dat je gebruikt… Uiteindelijk zou je dit soort systemen zodanig willen kunnen ontwerpen dat je ze kunt gebruiken als moleculaire schakelaar, geheugenelement of lichtbron. Maar zover zijn we nog niet.’ De weg van begrip tot toepassing is nog lang, zegt hij: ‘Eerst moeten we de juiste productiemethode ontwikkelen voor verschillende soorten moleculaire componenten, dan de juiste karakterisatiemethodes, dan kunnen we er statistiek op gaan doen om te zien of ze voldoende betrouwbaar zijn, en pas daarna kunnen we over het gebruik gaan nadenken. Ons onderzoek was redelijk fundamenteel van aard. Toch zijn er al mooie stappen gezet richting voorspelbaar gedrag van moleculaire lagen, en daarmee naar de mogelijkheid om te schakelen met moleculen.’ Zo hebben onderzoekers uit Groningen samen met Philips moleculaire monolagen gemaakt die fungeren als schakelaars. Daarnaast zijn in verschillende projecten systematisch de eigenschappen van de gebruikte moleculen gevarieerd: zo is de lengte van de ketens gevarieerd en zijn er diverse verschillende eindgroepen aan gemaakt, om te kijken wat de invloed daarvan Boven: schematische weergave en microscoopopname van een moleculaire component. Onder: Moleculaire componenten zijn ook in serie achter elkaar gezet.

was op het totale systeem. Tot slot is er gewerkt aan het vergelijken van verschillende meetmethoden om die moleculaire lagen betrouwbaar en reproduceerbaar te kunnen karakteriseren.

NN_Publieksboek_v6 28-09-11 12:15 Pagina 66

3. Kennis van het kleine

Flipperen met atomen NanoNedonderzoekers hebben een soort atomaire flipperkast gemaakt. Twee paren moleculen van elk twee atomen trillen op een manier die doet denken aan de flippers in een flipperkast. Als onder ultrahoog vacuüm platina-atomen worden aangebracht op een ondergrond van een germanium kristaloppervlak en de temperatuur stijgt, dan ontstaan lange rechte draden van maar één atoom breed. Daarmee is dit een dankbaar modelsysteem om het gedrag van atoomdraden te bestuderen. In dergelijke draden hebben de atomen de neiging paren te vormen, zogeheten dimeren.

STM-weergave van een germaniumoppervlak bedekt met atomaire ketens bestaande uit dimeren. In B is zo'n paar, een dimeer, te zien. In C en D is zichtbaar dat het dimeer heen en weer schommelt. Dat gaat te snel voor de STM, zodat het beeld in stukken uiteen lijkt te vallen.

Onderzoekers in de groep van Harold Zandvliet van de Universiteit Twente, experts in atomaire draden, hebben nu ontdekt dat onder bepaalde omstandigheden sommige van deze dimeren in beweging gebracht kunnen worden. Eén van de twee atomen van het dimeer staat daarbij stil, terwijl het andere atoom gaat bewegen. Datzelfde geldt ook voor het naburige dimeer. Deze beweging blijkt nu met behulp van een elektrische stroom door een scanning tunneling microscoop (STM) te sturen. Een STM bestaat in wezen uit een ragfijn naaldje dat aan zijn uiteinde maar één atoom dik is en heel dicht over een oppervlak wordt geleid. Met een klein spanningsverschil tussen het oppervlak en de punt van de naald kan de vorm van het oppervlak tot op afzonderlijke atomen nauwkeurig

De schommelende beweging van een dimeerpaar. Bij oranje wijzen beide paren omlaag, bij blauw wijzen ze omlaag-omhoog en omgekeerd en bij geel allebei omhoog. De bewegingen vinden plaats in een vlak dat parallel ligt aan het oppervlak.

worden bepaald. Dat maakt het ook mogelijk de beweging van atomen te registreren. De metingen wijzen uit dat de paren samen zes verschillende trillingsbewegingen kunnen uitvoeren. Er is één soort beweging waarbij één dimeer flippert, terwijl de andere stilstaat; deze trillingsbeweging is in vier varianten mogelijk. Bij een andere beweging flipperen de beide dimeren in fase of uit fase. Samen zijn dat dus zes verschillende trillingsmodi. Door de tunnelstroom die tussen de STM-naald en het oppervlak vloeit iets te variëren, kunnen de onderzoekers de flipperfrequentie instellen. Vloeit er geen stroom, dan bewegen beide flippers niet.

NN_Publieksboek_v6 28-09-11 12:15 Pagina 67

3. Kennis van het kleine

3.2 Meten en karakteriseren Nanotechnologie draait om het werken met structuren en deeltjes met afmetingen in de orde van nanometers, een miljardste meter. Onmogelijk te zien met het blote oog, zelfs niet te zien met de krachtigste lenzen. Om nanostructuren te bestuderen, zijn daarom speciale microscopen nodig. Naast elektronenmicroscopen, die werken met bundels van elektronen in plaats van met licht, is er een klasse aan microscopen die scanning probe microscopen worden genoemd. Deze microscopen gebruiken een naald om een oppervlak te scannen en vervolgens specifieke eigenschappen ervan af te beelden. Deze naald, of tip, kan elektrisch geleidend zijn en het oppervlak aftasten met behulp van kleine elektrische stromen, die tunnelstromen worden genoemd. In dat geval spreken we over een STM, een scanning tunneling microscoop. Een STM maakt in feite een beeld van de elektronendichtheden aan het oppervlak. Als de naald wordt gebruikt als veertje, en met name krachten worden gemeten, hebben we het over een AFM, een atoomkrachtmicroscoop. Zo kunnen ook magnetische STM-uitvinders Gerd Binnig en Heinrich Rohrer.

krachten (een MFM) of elektrostatische krachten (EFM) worden gemeten. Nadeel van al deze technieken is dat het zicht als het ware indirect is. Uit

NN_Publieksboek_v6 28-09-11 12:15 Pagina 68

3. Kennis van het kleine

plaatjes van de elektrische, magnetische of krachtvelden moet een onderzoeker terugredeneren wat er precies op het oppervlak aan de hand is. Welk atoom bevindt zich daar in welke toestand? En is het plaatje dat wordt getoond inderdaad een afbeelding van het oppervlak, of is het beeld vertroebeld door eigenschappen van de naald waarmee gemeten wordt? Een STM maakt beelden van elektronendichtheden aan het oppervlak van een materiaal.

Binnen het flagship Advanced NanoProbing zijn verschillende van deze beeldvormende technieken bestudeerd en verbeterd. De focus lag met name op STM, AFM en SNOM (scanning near field optical microscopy) technieken. Sylvia Speller (Radboud Unversiteit Nijmegen) was de flagshipcaptain. Zij vertelt: ‘Ons flagship bestond uit vijftien projecten, aan vijf universiteiten. Die projecten waren ondergebracht in drie clusters: biochemische functionaliteit, nano-optica en practical scanning probe microscopy. Als je gaat kijken wat we nu kunnen ten opzichte van een jaar of zes geleden, is er veel veranderd. We

'We kunnen als het ware in het molecuul en in het proces kijken.'

kunnen nu bijvoorbeeld veel sneller oppervlakken in beeld brengen. Het meten in andere omstandigheden dan

vacuüm was een aantal jaren terug nog erg moeilijk. Dat bleef beperkt tot gassen en simpele vloeistoffen. Nu kunnen we chemische reacties meten en zelfs zien in welke oxidatiefase moleculen zich bevinden. We kunnen als het ware in het molecuul en in het proces kijken.’ Daarnaast hebben de onderzoekers de positiebepaling heel erg verbeterd. Voor de start van NanoNed was het terugvinden van een oorspronkelijke meetplek op een oppervlak bijna onmogelijk. Speller vertelt: ‘Door een slimme combinatie te maken van een STM met een scannende elektronenmicroscoop kunnen we nu zonder problemen dezelfde plek terugvinden. Zo kun je bijvoorbeeld een meettip magnetiseren, een plek ermee bemonsteren, de tip demagnetiseren en dan dezelfde plek nogmaals aandoen. Zo zie je meteen wat de invloed van dat magneetveld is op het te bestuderen sample.’

NN_Publieksboek_v6 28-09-11 12:15 Pagina 69

3. Kennis van het kleine

Lab-on-a-tip Speller vervolgt: ‘We hebben ook een hele ontwikkeling doorgemaakt met nano-elektromechanische systemen (NEMS). Dat zijn systemen die elektrische en mechanische functionaliteit combineren op nanoschaal. Die NEMS kun je integreren op een tip. En zo heb je een lab-on-a-tip, bijvoorbeeld een complete sensor op het uiteinde van een AFMmeetnaald. Voor deze technologie hebben we inmiddels een proof-ofprinciple, maar er moet nog veel engineering gebeuren voordat dit ook NanoNedonderzoekers achterhaalden met scanning probe technieken hoe nanodeeltjes de levensduur van kunstmatige heupen verlengen.

commercieel als scanning probe naald te verkrijgen zal zijn.’ De microscopietechnieken die in het lab worden ontwikkeld, werken meestal alleen onder strikte condities. Speller: ‘Wij ontwikkelen methodes voor fundamenteel onderzoek, een probe werkt onder gedefinieerde omstandigheden aan een gesimplificeerd sample. Het bedrijfsleven wil graag mogelijkheden om monsters uit het echte leven te kunnen meten. Dat levert ons als wetenschappers een uitdaging op: kunnen we de technologie zo aanpassen dat hij ook in complexe omgevingen betrouwbare resultaten geeft? Om een voorbeeld te geven: we hebben onderzoek gedaan naar kunstmatige heupen waar nanodeeltjes in ontstaan. De levensduur van die protheses bleek met de nanodeeltjes ineens veel langer te worden, maar niemand snapte hoe dat kan. Het bleek dat die nanodeeltjes zich mengden met lichaamseiwitten, waardoor een beschermende laag ontstond.’

Van licht zien tot smurrieschrijven Inmiddels hebben de NanoNedonderzoekers hun technieken op tal van verschillende objecten gericht. Speller somt op: ‘Binnen het FOMInstituut AMOLF hebben onderzoekers een techniek ontwikkeld waarmee ze licht kunnen zien lopen in een nanostructuur. Dat is van

NN_Publieksboek_v6 28-09-11 12:15 Pagina 70

3. Kennis van het kleine

belang voor optische communicatie. Binnen de nanobiochemie is er gewerkt aan het thermisch schrijven: door eiwitten aan de tip te laten smelten, kun je schrijven op je sample. Heel gaaf. Op dat terrein was trouwens een ander verrassend resultaat de dip-pen-technologie. Je dipt een meettip in een smurrie van moleculen. Als je je tip terugtrekt, blijven er wat moleculen hangen. Daar kun je alleen grof mee schrijven, maar wel verbazingwekkend lang. Een andere schrijftechniek werkt met een smeltdraadje aan je tip. Je maakt het draadje warm, het smelt een beetje en gaat een interactie aan met de moleculaire laag op je oppervlak. Op die manier kun je heel fijn schrijven.’ Speller vervolgt: ‘Mijn eigen groep heeft samen met het Universitair Medisch Centrum St Radboud gekeken of je tips kunt functionaliseren met witte bloedcellen. We willen kunnen volgen hoe cellen ergens naartoe gaan, of zich losmaken, of stoppen op een bepaalde plek. Zo willen we kunnen zien hoe cellen zich op een celmembraan moleculair herschikken. Hoe stuurt de cel adhesie aan een oppervlak? We hebben geleerd hoe we de kracht tussen de cel en moleculen kunnen meten, en hoe we dat in de tijd kunnen volgen.’ Scanning probe technieken zijn op allerlei terreinen toepasbaar, van katalysatoren tot menselijke cellen.

Speller benadrukt dat scanning probe technieken op alle mogelijke terreinen toepasbaar zijn. ‘Sommigen kijken naar pootjes van dieren, andere naar katalysatoren voor de chemische industrie. Maar allemaal willen we weten: wat kan er allemaal gebeuren tussen mijn tip en mijn

NN_Publieksboek_v6 28-09-11 12:15 Pagina 71

3. Kennis van het kleine

sample, ongeacht waar dat laatste uit bestaat? Door verschillende monsters en verschillende tips te gebruiken, kun je onderscheiden welk signaal wordt veroorzaakt door je tip en welk door je sample.’ Mensen die in dit veld werken, zijn ondanks de grote verschillen in hun studieobjecten, wel gelijkgestemde zielen,

'Mensen die in dit veld werken, zijn gelijkgestemde zielen.'

zegt ze. ‘De synergie zit hem in de nanoscopische wisselwerkingsmechanismen, het feit dat je met

minuscule probes zit te werken, en het gezamenlijke gevecht tegen meetruis. We denken allemaal in soortgelijke termen.’ De Nijmeegse natuurkundige is tevreden over de voortgang die binnen het programma is geboekt. ‘Inmiddels kunnen we veel complexere systemen bekijken dan we jaren geleden voor mogelijk hielden. Met zogeheten correlative scanning probe microscopy kun je bijvoorbeeld tegelijk geleiding en kracht meten. Dat is een grote stap voorwaarts.’

3.3 Begrijpen Als structuren worden verkleind tot nanometerafmetingen, gaan effecten een rol spelen die in de macroscopische wereld niet belangrijk zijn. In een macroscopisch systeem dat bestaat uit duizenden of miljoenen atomen en elektronen, speelt een intrinsieke eigenschap als de spin van een elektron geen rol van betekenis. Maar als er gewerkt wordt met individuele elektronen, dan is die spin ineens van levensgroot belang. Ook quantummechanische effecten hebben op macroschaal geen gevolgen. Maar in systemen met afmetingen van enkele nanometers, zijn deze effecten allesoverheersend. Op sommige terreinen, zoals in de fotonica en de biologie, was het nog totaal onduidelijk wat er zou gebeuren als de afmetingen van het te bestuderen systeem in de ordegrootte van nanometers kwamen te liggen.

3.3.1 Rekenen met quantummechanica Binnen NanoNed is er op verschillende terreinen gewerkt aan het kweken van meer begrip van deze fenomenen. Zo hield het flagship Quantum Computing zich bezig met het bestuderen van de mogelijkheid om quantummechanische eigenschappen zoals superpositie en verstrengeling

NN_Publieksboek_v6 28-09-11 12:15 Pagina 72

3. Kennis van het kleine

te gebruiken om berekeningen mee uit te voeren. NanoNedonderzoekers richtten zich hierbij met name op het gebruik van supergeleidende systemen om qubits – de rekeneenheid van een quantumcomputer – mee te maken. De ontwikkeling van een quantumcomputer op basis van deze supergeleidende qubits heeft in de afgelopen jaren spectaculaire vooruitgang geboekt. Hans Mooij (Technische Universiteit Delft), flagshipcaptain, doet verslag: ‘We richtten ons op twee onderzoekslijnen: we onderzochten in Delft de mogelijkheden om supergeleidende ringen te gebruiken als flux qubits, en in Twente keken we naar supergeleidende systemen om deze qubits elektrisch mee aan te Twee gekoppelde flux qubits.

sturen. Op beide terreinen is veel vooruitgang geboekt, maar die twee lijnen zijn nog niet bij elkaar gekomen. Dat zal ook nog wel een paar jaar gaan duren.’

Flux qubits tot volwassenheid gebracht Toen NanoNed begon, waren er nog verschillende opties om qubits mee te maken. De zogeheten flux qubits van Mooij, ringetjes van supergeleidend materiaal waarin de elektrische

'De afgelopen jaren hebben we de potentie van flux qubits vol bewezen.’

stroom linksom, rechtsom, of linksom en rechtsom tegelijk (superpositie) kan lopen, vormden

er daar een van. Mooij: ‘We hadden al wat werkende systemen gemaakt. Maar de afgelopen jaren hebben we de potentie van flux qubits vol bewezen. Met name de laatste twee jaar zijn er grote stappen gemaakt.’ Mooij koos voor dit systeem, omdat het te integreren is op een

NN_Publieksboek_v6 28-09-11 12:15 Pagina 73

3. Kennis van het kleine

Eerste logische quantumactie Onderzoekers van de Technische Universiteit Delft zijn er in geslaagd om bewerkingen uit te voeren met twee quantum bits, de bouwstenen van een mogelijke toekomstige quantumcomputer. Een quantumcomputer is gebaseerd op de wonderlijke eigenschappen van quantumsystemen waarbij een quantum bit, qubit genaamd, in twee toestanden tegelijk verkeert en waarbij de informatie van twee qubits verstrengeld wordt op een manier die geen enkel equivalent heeft in de normale wereld. Binnen NanoNed werkten onderzoekers aan qubits die bestaan uit supergeleidende ringetjes. Met twee van deze supergeleidende ringetjes die magnetisch aan elkaar werden gekoppeld, wisten zij voor het eerst een zogenoemde controlled-not (C-NOT) bewerking te realiseren. Als in een signaal van twee bits het eerste bit 1 is, zet een C-NOT poort de tweede bit om van 0 naar 1 of andersom. Is het eerste bit een 0, dan gebeurt er niks.

Supergeleidend circuit dat fungeert als C-NOT poort. De twee qubits zitten links en rechts. Aan elke qubit is een meter gekoppeld, die de status van het bit kan uitlezen.

NN_Publieksboek_v6 28-09-11 12:15 Pagina 74

3. Kennis van het kleine

In een slimme combinatie van twee supergeleidende materialen ontstaat spontaan een zeer gestructureerd patroon van kleine magneetjes.

computerchip, en daarmee dichtbij de bestaande computertechnologie staat. Zijn qubits bestaan uit onderbroken supergeleidende ringetjes die bij een paar duizendste graden boven het absolute nulpunt tegelijk linksom en rechtsom een stroom laten lopen. Met radiogolven kunnen bewerkingen worden uitgevoerd. In het begin van het programma was het

'De grootste echte doorbraak was de ontwikkeling van de cNOTgate.'

moeilijk genoeg om met nanofabricagetechnieken één flux qubit te maken, die enigszins werkte. Inmiddels is het de onderzoekers gelukt

om een systeem te maken van drie qubits, die onderling met elkaar verstrengeld zijn. ‘De grootste echte doorbraak binnen ons flagship was echter de ontwikkeling van de cNOTgate,’ zegt Mooij niet zonder trots. De onderzoekers bouwden een microscopisch systeem van twee qubits die

NN_Publieksboek_v6 28-09-11 12:16 Pagina 75

3. Kennis van het kleine

magnetisch aan elkaar zijn gekoppeld. Hiermee maakten ze een logische poort, die in een signaal van twee bits het tweede bit omzet van 1 naar 0 of omgekeerd. Dat gebeurt echter alleen als het eerste bit 1 is. Is het eerste bit een 0, dan gebeurt er niks. Om deze resultaten te kunnen bereiken, moest er eerst jaren hard gewerkt worden om de zogeheten coherentie van de qubits te verbeteren. Essentieel voor het functioneren van een quantumcomputer is namelijk dat de informatie lang genoeg blijft bestaan om er bewerkingen op te kunnen uitvoeren. De coherentietijd geeft aan hoelang deze quantuminformatie in stand blijft. De coherentie van qubits verdwijnt door interactie met de omgeving, maar kan ook spontaan verloren gaan. Mooij: ‘We hebben de coherentietijd uiteindelijk weten te verlengen tot een microseconde, dat is voldoende om te schakelen. De flux qubit is nu een mooi systeem om mee verder te werken.’

Koppeling Toen die coherentietijd eenmaal verlengd was, werden er ook nieuwe doorbraken mogelijk. Mooij: ‘Helemaal nieuw was dat we fluxqubitsystemen konden koppelen via resonatoren. Je kunt zo informatie van een qubit overdragen naar een oscillator, via een hele sterke koppeling. Die resonator kun je dan weer gebruiken als bus om informatie tussen qubits De onderzoekers ontwikkelden een nieuw type flip-flop, een schakelbaar element met een intern geheugen.

over te hevelen. En tot slot hebben we de verstrengeling van drie qubits aangetoond, wat ook geen triviale zaak was.’ Ook binnen het onderzoek naar supergeleidende stuursystemen is veel voortgang geboekt. Zo wisten de onderzoekers een nieuw soort flipflop te maken, een schakelbaar element met een intern geheugen. In de schakelaar wordt informatie opgeslagen met behulp van magnetische velden. Deze worden spontaan gegenereerd in ringstructuren bestaande uit een slimme combinatie van twee verschillende supergeleidende

NN_Publieksboek_v6 28-09-11 12:16 Pagina 76

3. Kennis van het kleine

materialen. Verschillen in quantummechanische eigenschappen van beide supergeleidende materialen veroorzaken een zeer gestructureerd patroon van kleine magneetjes. Met dit soort supergeleidende elektronica zijn veel grotere schakelsnelheden te bereiken dan met conventionele elektronica, namelijk in de orde van honderden gigahertz. Mooij is trots op de resultaten die zijn bereikt, al ging het soms langzamer dan hij had gewild. ‘We zijn tegen een heleboel fabricage- en technologische problemen opgelopen, die ik niet had voorzien. Maar terugkijkend: eind jaren negentig dacht men nog dat fluxqubits onmogelijk waren, als ik met dat idee kwam werd ik voor gek versleten. Rond 2000 lag het veld nog helemaal open, en nu is duidelijk bewezen dat dit systeem een goede basis vormt voor quantum computation.’

3.3.2 Licht in gaatjes persen Op het gebied van fotonica was er in het begin van dit millennium eigenlijk helemaal nog geen sprake van nanotechnologie. Sterker nog, men wist zeker dat licht überhaupt niet te manipuleren was op een schaal die kleiner is dan zijn golflengte. Flagshipcaptain van NanoPhotonics Albert Polman (AMOLF) lacht: ‘We begonnen het flagship dan ook met de fundamentele vraag: kunnen we licht misschien toch wel op die schaal manipuleren? Het belangrijkste resultaat van ons NanoNedonderzoekers ontwikkelden een nieuwe microscopietechniek, CARS. Op de foto een stukje rundvlees, in beeld gebracht met de CARS-techniek. In rood zijn de vetcellen te zien, in groen de collageenvezels.

onderzoek laat zich dan makkelijk samenvatten: ja, dat kan! We hebben dus een fundamentele barrière overwonnen, en dat heeft een heel scala aan nieuw onderzoek en nieuwe toepassingen ontsloten.’ In de afgelopen jaren is niet alleen bewezen dat licht op die schaal te manipuleren is, de onderzoekers hebben het op nanoniveau opgesloten, in gaatjes geperst, versterkt... Polman: ‘Dat konden we ons jaren geleden absoluut nog niet voorstellen. Dat dat gelukt is, is voor een groot deel te danken aan de voortschrijdende mogelijkheden van de technologie. We hebben nu cleanrooms en lithografie waarmee we minilasers kunnen maken, mechanische structuren kunnen deponeren van enkele nanometers groot... daarmee komen hele nieuwe onderzoeksterreinen binnen handbereik.’

NN_Publieksboek_v6 28-09-11 12:16 Pagina 77

3. Kennis van het kleine

Nieuwe metaalstructuren zorgen ervoor dat zonnecellen het licht beter kunnen invangen.

Het flagship Nanophotonics heeft op veel verschillende terreinen iets opgeleverd. Op de eerste plaats is er veel fundamentele kennis verworven over hoe licht zich gedraagt op die kleine schalen. Soms blijkt het zich niet eens meer als lichtgolf te gedragen, maar eerder als lichtdeeltje (foton). Dat heeft weer hele nieuwe vragen opgeroepen, waar onderzoekers weer jaren mee vooruit kunnen.

Legio toepassingen Omdat bij de start van het onderzoek nog niet eens duidelijk was of licht zich Ăźberhaupt op nanoschaal liet opsluiten, zijn onverwachte wegen ingeslagen. Polman: â&#x20AC;&#x2DC;We hebben de fundamentele grens doorbroken, we kunnen licht nu op een schaal van tien nanometer manipuleren, opsluiten, geleiden, versterken of genereren. Dat hadden we jaren geleden niet voor mogelijk gehouden. Toen we het voorstel schreven voor NanoNed dachten we dat vooral op het terrein van fotonische kristallen de grote doorbraken te verwachten waren. Ook internationaal werd daar veel van verwacht. In

NN_Publieksboek_v6 28-09-11 12:16 Pagina 78

3. Kennis van het kleine

Magneten ompolen met licht Magneten ompolen met licht: het kan tóch, hoewel men altijd dacht van niet. De Nijmeegse hoogleraar en flagshipcaptain Theo Rasing ontving er mede de Spinozapremie voor. Maar hoe ziet dat ompolen er nou eigenlijk uit? De pool van een magneet omdraaien, gebeurt doorgaans met een tweede magneet. Dat kan snel – in een paar nanoseconden. Nóg veel sneller kan het met licht, lieten onderzoekers van de Radboud Universiteit zien: met een zeer intense lichtflits van slechts veertig femtoseconden. De experimenten zijn gedaan met een dunne film van gadolinium, ijzer en kobalt (GdFeCo). Met behulp van een polarisatiemicroscoop kan het verschil in magnetisatierichting in het materiaal zichtbaar worden gemaakt. Zo kan het effect van een bewerking worden geobserveerd. De vraag is nu of één korte laserpuls voldoende is om de magnetisatie te veranderen. Om dat te controleren, is een spervuur van lichtpulsen met vijftig millimeter per seconde over het preparaat gehaald. Het stippenpatroon toont aan dat de magnetisatie ook verandert door één ultrakorte puls. Wetenschappers over de hele wereld waren buitengewoon verrast over de bevindingen van Rasing en zijn collega's. De huidige op thermodynamica gebaseerde theorieën hebben dan ook geen verklaring voor deze opzienbarende resultaten.

Om te laten zien dat de techniek geschikt is om dataopslag mee te realiseren, ontwierpen de onderzoekers de volgende opstelling: terwijl de laser over de film beweegt, wordt telkens de polarisatie van het licht veranderd. De kleuren laten zien dat de magnetisatierichting in kleine gebiedjes wordt omgezet.

NN_Publieksboek_v6 28-09-11 12:16 Pagina 79

3. Kennis van het kleine

publicaties verschenen prachtige 3D-structuren die we allemaal zouden gaan maken... Dat is tegengevallen. Eigenlijk vooral omdat het enorm lastig bleek om die kristallen nauwkeurig en reproduceerbaar te maken. Met een proces als etsen bleken de paaltjes die je moet maken onderin de structuur in elkaar te zakken. Daar is nog geen oplossing voor gevonden.’ Toch bleek het onderzoek al heel snel in een schat aan verschillende toepassingen te resulteren, zegt de voorman. ‘Tijdens een van de flagshipbijeenkomsten hadden we

'Onvoorstelbaar wat een veelheid aan demonstratiemodellen...'

gevraagd of iedereen die een daadwerkelijke component of prototype had gemaakt dat eens

mee kon brengen. Onvoorstelbaar wat een veelheid aan demonstratiemodellen dat opleverde. Iemand bracht een chip mee waar een blauwe laser inzat, de volgende had een schakelaar die op microschaal licht kon schakelen, de derde had een lichtbron die plasmonen uitzendt…’ Nanofotonica is verrassenderwijs ook handig gebleken voor zonnecellen. De onderzoekers maakten metaalstructuren die ervoor zorgen dat een zonnecel het infrarode licht veel beter kan benutten. Polman wil maar zeggen dat onderzoek per definitie onvoorspelbaar is. ‘Omdat nanofotonica nog zo’n onontgonnen terrein was, zijn we tijdens de rit meermalen van koers veranderd. Dat is ook goed. Je kunt niet van te voren voorspellen wat je gaat vinden. Dus toen we ontdekten dat metalen bolletjes met een doorsnede van vijftig nanometer licht heel efficiënt konden absorberen en geleiden, zijn we daarop doorgegaan. Zo hebben we een compleet nieuwe manier van lichttransport ontwikkeld.’

3.3.3 Leven op nanoschaal Nanotechnologie is eigenlijk begonnen in de natuurkunde. Later is daar steeds meer chemie en biologie bij komen kijken. Het merendeel van het nano-onderzoek is inmiddels multidisciplinair: er wordt gestempeld met anorganische en organische moleculen, er bestaan organische LEDs, de scanning probe technieken die oorspronkelijk alleen nuttig waren voor onderzoek aan dode, geleidende materialen zijn inmiddels ook geschikt voor het bemonsteren van biologische cellen…

NN_Publieksboek_v6 28-09-11 12:16 Pagina 80

3. Kennis van het kleine

Bij de start van NanoNed was deze ontwikkeling nog niet te voorspellen. Om toch alvast een stevig fundament te leggen van kennis op het vlak van biologische nanosystemen, werd het flagship BioNanoSystems opgetuigd. George Robillard (Rijksuniversiteit Groningen), blikt terug op de afgelopen jaren: ‘Eigenlijk gaat het onderzoek binnen bionanosystemen erom nanosystemen die bestaan uit biologische componenten te manipuleren om ze te laten doen wat jij wilt. We werken met verzamelingen van biologische moleculen en we onderzoeken hier de eigenschappen van.’ Deze biologische moleculen kun je vervolgens overal voor gebruiken. ‘Zo hebben Utrechtse onderzoekers bijvoorbeeld jasjes van vetten gemaakt om de Binnen BioNanosystems zochten onderzoekers naar methoden om medicijnen te verpakken, zodat ze onveranderd en werkzaam aankomen op de plaats waar ze hun werk moeten doen.

chemokuur carboplatine in te verpakken,’ zegt de Groningse hoogleraar. Het idee is dat een chemokuur zo veilig door het lichaam getransporteerd kan worden, en alleen op de plek van een tumor zijn vernietigende werk zal doen. Dit soort transportsystemen voor medicijnen vormt meteen de heilige graal in zijn vak, beaamt Robillard. ‘Iedereen zoekt uiteindelijk naar een oplossing om geneesmiddelen toe te dienen zonder dat je het rechtstreeks in aderen moet spuiten. Dus we zoeken naar iets wat je kunt slikken, zonder dat het wordt afgebroken door je maag, en dat onveranderd en werkzaam aankomt op de plaats waar het zijn werk moet doen.’

Verpakken op maat Om dat te kunnen doen, zijn verpakkingen nodig die onbeschadigd door het lichaam kunnen reizen, en die op commando hun inhoud loslaten. ‘Wat we in Groningen de afgelopen jaren hebben geleerd en nu dus kunnen, is eiwitkanalen uit een bacterie in een synthetisch membraan plaatsen, en dat membraan met licht open en dicht zetten. Zo kunnen we bijvoorbeeld synthetisch RNA verpakken in een vetbolletje, en met een lichtpuls het bolletje openmaken. De toepassing van dit soort systemen is nog ver weg. Maar we hebben wel veel geleerd over hoe je tot de juiste moleculen komt om zo’n verpakking van te maken.’ Stoffen verpakken in vetten is niet nieuw, zegt Robillard. ‘Dat kan allang, in het lab doen we dat elke dag. Als je er echter een systeem van wilt maken om geneesmiddelen mee toe te dienen op grote schaal, moet je voldoen

NN_Publieksboek_v6 28-09-11 12:16 Pagina 81

3. Kennis van het kleine

aan regels van de FDA, moet je alles volledig steriel kunnen maken, moet het geheel goedkoop genoeg zijn zodat het materiaal betaalbaar blijft, en moet het stabiel kunnen blijven. Dat is allemaal vooral een kwestie van chemie: hoe zorg je dat het geneesmiddel op het juiste moment wordt uitgepakt? En hoe zorg je ervoor dat er onderweg geen interactie optreedt met andere stoffen?’ In voeding gebeurt het bijvoorbeeld al langer: sommige stoffen die niet bij elkaar mogen komen worden in vetbolletjes verpakt. Probleem is dat verpakken maatwerk is: de stabiliteit van de gekozen vetbolletjes hangt af van de omgeving. Robillard: ‘Er zijn bijvoorbeeld systemen die in water tot zes maanden stabiel blijven. Maar gebruik je ze in mayonaise, dan zwemmen ze rond in olie, en dat is weer een heel ander verhaal.’ Het omhulsel voor een geneesmiddel moet heel specifiek worden ontworpen. Het mag geen interactie hebben met het geneesmiddel zelf, mag niet te vroeg door het lichaam worden afgebroken en moet op de juiste plaats worden afgegeven. ‘Het systeem dat is gemaakt voor die chemokuur carboplatine bleek zich bijvoorbeeld veel instabieler te gedragen als het in omgevingen kwam met een andere zuurgraad,’ zucht Robillard. ‘Kortom: voor elke eis moeten we een nieuw systeem ontwerpen.’

Onbedoelde ontdekking Om de verpakkingen te maken, gaan de onderzoekers voor het grootste deel uit van bestaande systemen, die ze op genniveau of chemisch modificeren om ze een andere functie te geven. Soms leidt zo’n aanpak tot onbedoelde, maar nuttige ontdekkingen. Zo werkten de onderzoekers aan een systeem voor geneesmiddeltoediening, dat uiteindelijk een kweekbodem voor nieuwe cellen opleverde. ‘We bouwden het systeem op uit kleine moleculen die elkaar vinden in een oplossing en dan afhankelijk Min of meer per ongeluk ontwikkelden de onderzoekers een nanofibergel, die zeer geschikt is om cellen op te laten groeien.

van de omstandigheden zichzelf assembleren tot nanofibers die het oplosmiddel vasthouden. Het eindresultaat is een soort gel. We kwamen er min of meer per toeval achter dat die nanofibergel een ontzettend goede bodem vormt om cellen op te laten

NN_Publieksboek_v6 28-09-11 12:16 Pagina 82

3. Kennis van het kleine

groeien. Dat is nu de focus van het onderzoek geworden. Er is zelfs een bedrijf ontstaan, Nano Fiber Matrices BV, dat deze gel produceert als coatings op platen die gebruikt worden voor toxiciteittesten van nieuwe medicijnen. Door deze plaaten in te zetten hoeft de farmaceutische industrie minder proefdieren te gebruiken.’

3.3.4 Individuele moleculen Ook het flagship Chemistry and Physics of Individual Molecules hield zich ten dele bezig met het bestuderen van individuele biomoleculen, alhoewel het daar niet bij gebleven is. Flagshipcaptain Han Zuilhof (Wageningen Universiteit) zegt hierover: ‘We begonnen eigenlijk vanuit de vakgebieden natuurkunde en de scheikunde, maar ons onderzoek is steeds meer opgeschoven richting de biologische moleculen.’ In de tijd dat NanoNed van start ging, kwamen er langzaam technieken beschikbaar om naar individuele moleculen te kijken. Maar die technieken waren nog niet toepasbaar op bewegende systemen. Zuilhof zegt trots: ‘Gedurende de looptijd van NanoNed hebben de diverse groepen in dit flagship het echter voor elkaar gekregen om bewegend DNA binnen nanoporiën te bestuderen en manipuleren, moleculaire motors te ontwikkelen, en optische en magnetische pincetten te gebruiken om individuele moleculen te bekijken en te manipuleren.’ Men wilde individuele moleculen kunnen bestuderen en manipuleren.

Verschillen weggemoffeld De grootste gemene deler bleef de studie van individuele moleculen. ‘Veel bekende materiaaleigenschappen zijn eigenlijk een statistisch gemiddelde van de eigenschappen van samenstellende moleculen. Dat statistisch gemiddelde heeft het voordeel dat het gemakkelijker te meten is, maar het moffelt, om het zo maar te zeggen, individuele verschillen weg,’ motiveert Zuilhof de keuze voor deze aanpak. Onderzoekers uit de groep van Nynke Dekker ontwikkelden onder andere nieuwe methoden om te kijken naar het gedrag van individuele DNAmoleculen. Zo kan men inmiddels een enkelvoudige DNA-streng

NN_Publieksboek_v6 28-09-11 12:16 Pagina 83

3. Kennis van het kleine

bestuderen en manipuleren, zonder dat deze – zoals eerder het geval was – eerst honderd miljoen keer vermenigvuldigd moet worden. Met magnetische pincetten kunnen de onderzoekers bijvoorbeeld trekken aan een RNA- of DNAmolecuul, om te meten hoeveel kracht er nodig is om zo’n molecuul op te wikkelen.

Onmeetbaar klein Binnen het flagship keken onderzoekers vanuit verschillende perspectieven naar individuele moleculen. Bij de start van NanoNed was dat type onderzoek een stuk homogener dan het nu is. Zuilhof: ‘Mijn eigen groep in Wageningen kijkt bijvoorbeeld niet meer zozeer naar individuele moleculen, maar meer naar het gedrag van een laag moleculen op een Met optische en magnetische pincetten kunnen onderzoekers tegenwoordig individuele moleculen manipuleren. Zo ontwikkelde het lab van Nynke Dekker een magnetisch pincet waarmee DNA op te draaien is, om zo de draaisterkte van het molecuul te kunnen meten.

oppervlak.’ Die verschuiving in focus is min of meer natuurlijk zo gegaan. ‘We hadden een samenwerking met elektrotechnici van de groep van Wouter Olthuis uit Twente om te kijken hoe we individuele moleculen kon detecteren. Na anderhalf jaar ploeteren moesten ze concluderen dat het elektrische signaal dat een enkel molecuul zou afgeven, in hun opstelling zou verdwijnen in de meetruis. De voorspelde grootte van het te meten effect was kleiner dan de resolutie van de meting, dus het was niet waar te nemen. Het onderzoek leverde wel een goed geciteerde publicatie op, maar het was tevens de afsluiting van die route voor detectie. Toen zijn wij als chemici dan ook een andere richting ingeslagen.’ En niet zonder succes, vervolgt Zuilhof. ‘De betreffende promovendus was nieuwe technieken aan het ontwikkelen, die zijn we verder gaan

NN_Publieksboek_v6 28-09-11 12:16 Pagina 84

3. Kennis van het kleine

gebruiken. Zo hebben we een nieuwe manier gevonden om oppervlaktes te modificeren om bijvoorbeeld snel bacteriën en enzymen te hechten op een glasplaatje. Glas is transparant en erg aantrekkelijk voor allerleisoortige toepassingen.’

Er zijn nieuwe manieren gevonden om oppervlaktes te modificeren om er bijvoorbeeld snel bacterieën op te kunnen hechten.

3.4 Manipuleren Een aantal onderdelen van NanoNed was er vanaf de start op gericht om op nanoschaal stoffen te manipuleren. Met name de spins van elektronen en vloeistoffen in kleine hoeveelheden leken zich er prima voor te lenen om ze in speciale structuren te persen, te bewerken met fysische en chemische methodes, en hun eigenschappen te beïnvloeden.

3.4.1 Onzichtbaar weinig vloeistof Alhoewel het vakgebied van de bestudering van nanovloeistoffen bij de start van het programma nog in de kinderschoenen stond, investeerde NanoNed ambitieus in een flagship Nanofluidics dat zich bezighield met vloeistoffen in hoeveelheden van nanoliters. Albert van den Berg (Universiteit Twente), voorman van dit flagship, schetst in een noodtempo

NN_Publieksboek_v6 28-09-11 12:16 Pagina 85

3. Kennis van het kleine

Fotosynthese nageaapt om licht te transporteren Alle planten en ook sommige bacteriën gebruiken fotosynthese om zonne-energie op te slaan. Nanotechnologen binnen het programma NanoNed hebben ontdekt hoe delen van het fotosynthesesysteem van bacteriën gebruikt kunnen worden om licht te transporteren. Ze gebruikten in hun experimenten geïsoleerde eiwitten van het zogenaamde Light Harvesting Complex (LHC). In planten- en bacteriecellen transporteren deze eiwitten het zonlicht naar een plaats in de cel waar de zonne-energie wordt opgeslagen. De onderzoekers bouwden met de LHC-eiwitten een soort 'moleculaire glasvezels' duizend keer dunner dan een menselijk haar. In het experiment fixeerden de onderzoekers de eiwitten op een vaste ondergrond. Ze legden ze in een lijntje achter elkaar en vormden op deze manier een draadje. Vervolgens zonden ze laserlicht naar één punt op die draad. Daarna keken ze waar het licht heen ging. De lijn met LHC-eiwitten bleek niet alleen het licht te transporteren; het lichttransport ging over veel langere afstanden dan de onderzoekers in eerste instantie hadden verwacht. In de bacterie waaruit de LHC-eiwitten geïsoleerd zijn, worden doorgaans afstanden van circa vijftig nanometer overbrugd. In de experimenten van de onderzoekers legde het licht minstens dertig keer langere afstanden af. Volgens Cees Otto, één van de betrokken onderzoekers, kunnen we door experimenten als deze veel leren van de natuur. 'De LHC-eiwitten zijn de bouwstenen die de natuur ons levert. Wat wij gedaan hebben is deze bouwstenen op onze eigen manier ordenen. Hiermee kunnen we natuurlijke processen, zoals het lichttransport in de fotosynthese, beter doorgronden. Als we begrijpen hoe de natuur werkt, kunnen we deze vervolgens imiteren. Op termijn kunnen we dit principe bijvoorbeeld gebruiken in zonnecellen.'

Door eiwitten uit het fotosynthesesysteem van bacteriën achter elkaar te leggen, ontstond een lichtgeleidende 'vezel' duizend keer dunner dan een menselijke haar.

NN_Publieksboek_v6 28-09-11 12:16 Pagina 86

3. Kennis van het kleine

de grote vlucht die zijn vak de afgelopen jaren heeft genomen: ‘Nanofluidics is een relatief nieuw vakgebied. Het bestaat nu zo’n tien tot vijftien jaar. Maar de ontwikkelingen zijn wel razendsnel gegaan. Je ziet dat inmiddels grote bedrijven als Philips

'De ontwikkelingen zijn razendsnel gegaan.'

Research zich richten op labs-on-chips. Er zijn ook grote belangen mee gemoeid voor de Nederlandse economie. De positie van Nederland op dit terrein is

mede dankzij NanoNed verhoudingsgewijs erg groot: als je alle citaties binnen dit vakgebied bekijkt, komt maar liefst tien procent daarvan uit Nederland!2 Dat is voor zo’n klein land erg veel, in andere gebieden ligt dat tussen de drie en vijf procent.’ Waar heeft het NanoNedonderzoek op dit terrein zich zoal mee beziggehouden? Van den Berg: ‘Het onderzoek richtte zich op drie onderwerpen. Binnen fundamentele fysische systemen bestudeerden we het gedrag van vloeistoffen op nanoschaal. Het onderdeel biochemische aspecten richtte de blik op interacties tussen DNA-eiwitten en oppervlaktes. Tot slot ontwikkelden we technologie om deze aspecten te maken en te meten.’ Te denken valt hierbij aan de technologie die nodig is om microkanaaltjes te maken, waarin de nanovloeistoffen zich bewegen. Het vakgebied van de vloeistoffen op nanoschaal is erg breed, zegt Van den Berg, die zelf bekendstaat om zijn werk aan labs-on-a-chip. ‘Die labs-on-a-

Artistieke impressie van een nanofluïdische component die kleine aantallen electrochemisch actieve moleculen in oplossing kan detecteren.

ISI Web of Science

NN_Publieksboek_v6 28-09-11 12:16 Pagina 87

3. Kennis van het kleine

chip zijn een duidelijk voorbeeld van een medische toepassing, maar ook een bedrijf als chipmachinefabrikant ASML ziet zich geplaatst voor fundamentele uitdagingen op dit terrein. Zij maken bijvoorbeeld in hun machines gebruik van een flinterdun laagje water tussen de lens en de te belichten wafer, om de lijntjes die ze afbeelden nog kleiner te kunnen maken. Maar water gedraagt zich in dat soort dunne films heel anders dan op macroschaal. En belletjes met Oppervlakte nanobellen spelen een rol in de immersietechnologie van chipmachines.

nanoafmetingen blijken de optische kwaliteit van de afbeelding te verstoren.’ Die verstoringen zijn pas te voorkomen, als duidelijk is hoe de nanobellen zich gedragen in verschillende omstandigheden. Daar is binnen NanoNed dan ook aan gewerkt.

Van den Berg vervolgt: ‘We hebben in die afgelopen jaren het interface van micro- en nanovloeistoffen naar de macrowereld veel beter leren begrijpen. Daarmee zijn verschillende toepassingen binnen handbereik gekomen.’ De onderzoeksgroepen leverden zo al een thuistest af voor spermakwaliteit, en een chip waarmee manisch-depressieve patiënten het gehalte aan lithium in hun bloed kunnen meten.

Vragen beantwoord ´Op het terrein van de fabricage hebben met name Delft en Twente grote sprongen gemaakt. Het is nu standaardpraktijk geworden om in een lab componenten te maken waar je op nanoschaal vloeistoffen in kunt injecteren. Dat was jaren geleden nog een van de grote vragen: hoe krijg je vloeistoffen met nanoliters tegelijk Redoxcycling. De moleculen bewegen willekeurig tussen twee dicht bij elkaar staande elektrodes, waardoor zij elektronen vervoeren van de ene naar de andere elektrode. De resulterende stroom is en maat voor de hoeveelheid en het type molecuul.

in een microkanaal geperst?’, vervolgt hij. Een ander probleem waar de wetenschappers een oplossing voor vonden was de detectie. Hoe detecteer je stoffen die in kleine hoeveelheden in vloeistoffen voorkomen? ‘Met een nieuwe methode die gebruik maakt van redoxcycling, hebben we de detectiegevoeligheid enorm verbeterd,’ zegt Van den Berg. De methode bestaat uit twee elektrodes, waar de te detecteren moleculen elektronen opnemen danwel afstaan. Doordat de moleculen dit herhaaldelijk doen, wordt het te meten elektrische signaal

NN_Publieksboek_v6 28-09-11 12:16 Pagina 88

3. Kennis van het kleine

versterkt tot detecteerbare proporties. De resulterende stroom is een maat voor de concentratie van de moleculen in de vloeistof.

'Er zijn minder chemicaliën nodig voor de reacties, en er is maar een kleine hoeveelheid lichaamsvloeistoffen nodig.'

Ook bij Philips wordt inmiddels gebruikgemaakt van verschillende binnen NanoNed ontwikkelde technieken. Zo werkt men daar met

een methodiek om sporadisch voorkomende magnetische deeltjes uit een vloeistof te vissen. Uiteindelijk wil men die magnetische deeltjes zo maken dat ze zich aan een specifieke stof hechten – denk bijvoorbeeld aan insuline in bloed. Op die manier is het gehalte van die stof in het bloed te meten. Het feit dat een lab-on-a-chip zo klein is, heeft vele voordelen, zegt Van den Berg. Er zijn minder chemicaliën nodig voor de reacties, en er is maar een kleine hoeveelheid lichaamvloeistoffen nodig. ‘Voor die lithiumchip volstaan we met een druppeltje bloed, en daarvan gebruiken we minder dan een miljoenste deel!’

3.4.2 Spintronica Zoals eerder vermeld, gaan op nanoschaal quantummechanische eigenschappen een belangrijke rol spelen. Nu zijn niet alleen verstrengeling en superpositie quantummechanische fenomenen. Ook de zogeheten spin van een elektron is quantummechanisch van aard. Spin is het supersnel rondtollen van het negatief geladen elektron, waarmee elektronen niet alleen elektrische ladingsdragers, maar ook minuscule magneten zijn. De combinatie van spin met elektronische processen leidt tot spintronica. Dit is nieuwe elektronica die gebaseerd is op de interactie tussen spin en elektromagnetisme. Bewegende elektronen die samen een elektrische stroom dragen, hebben allen een spin. Door deze spin te manipuleren, is het elektrische transport niet langer slechts te beïnvloeden door elektrische velden, maar ook door magnetische velden. En daarmee liggen toepassingen in magnetische sensoren of harde schijven voor de hand. Binnen NanoNed hield met name het flagship NanoSpintronics zich hiermee bezig. Door te experimenteren met het manipuleren,

NN_Publieksboek_v6 28-09-11 12:16 Pagina 89

3. Kennis van het kleine

Harde schijf.

transporteren en opslaan van deze spins, werden de mogelijkheden onderzocht om deze eigenschap te gebruiken voor bijvoorbeeld dataopslag in geheugens en harde schijven, of voor detectie van hele kleine magneetvelden.

Reuzengroot, reuzensnel De ontwikkelingen binnen dit vakgebied gaan enorm snel, zegt flagshipcaptain Bert Koopmans (Technische Universiteit Eindhoven). ‘In de afgelopen decennia hebben we gezien dat er telkens binnen tien jaar na een fundamentele doorbraak een product op de schappen lag.’ In rap tempo schetst Koopmans de mijlpalen van de afgelopen twintig jaar. ‘Eind jaren tachtig van de vorige eeuw werd het Het tunnelmagnetoweerstandseffect, een quantummechanisch effect waardoor elektronen dwars door een isolerende laag kunnen reizen.

reuzenmagnetoweerstandseffect (GMR, Giant Magneto Resistance) ontdekt. Dit is een quantummechanisch effect waarbij de elektrische weerstand van een materiaal sterk verandert onder invloed van een magnetisch veld. Het effect treedt op in dunne lagen van afwisselend ferromagnetisch en nietmagnetisch metaal. Dit effect werd binnen tien jaar toegepast in

NN_Publieksboek_v6 28-09-11 12:16 Pagina 90

3. Kennis van het kleine

Echte Harry Potterkrant Hybrides van organische en anorganische materialen hebben intrigerende kenmerken: ze zijn flexibel en oplosbaar, en hebben bovendien magnetische eigenschappen waarmee een geheugeneffect kan worden bereikt. Een combinatie die in de toekomst kan leiden tot een bijzondere toepassing: met inkt geprinte videofilms. Kranten met bewegende beelden, zoals in de toverwereld van Harry Potter, lijken dus niet ondenkbaar. Anorganische materialen hebben goede magnetische en geleidende eigenschappen, waardoor ze geschikt zijn voor gebruik in elektronica. Organische materialen ontberen deze eigenschappen, maar zijn flexibel, goedkoop en oplosbaar. NanoNedpromovendus Anne Arkenbout maakte aan de Rijksuniversiteit Groningen hybride kristallen die de gunstige eigenschappen van beide stoffen combineerden: ze bezaten magnetische eigenschappen vergelijkbaar met die van onoplosbare anorganische stoffen. Arkenbout bestudeerde verschillende combinaties van organische en anorganische materialen. Met name de anorganische groepen bleken van invloed op de magnetische eigenschappen van de hybride. De geteste groepen met mangaan, ijzer, koper, nikkel en kobalt gedroegen zich in het hybride kristal heel verschillend, ondanks het feit dat ze chemisch nauw verwant aan elkaar zijn. Mangaan, ijzer en koper ordenen zich in laagjes omgeven door het organische materiaal. Nikkel vormt echter geen laagjes, maar ketens. Kobalt maakt eilandjes. Deze ordening is essentieel voor de uiteindelijke magnetische eigenschappen van de hybride, ontdekte Arkenbout. De hybrides die laagjes vormen, laten namelijk een magnetisch geheugeneffect zien. Bij de materialen die zich ordenen in ketens en eilandjes treden nauwelijks geheugeneffecten op. De combinatie van oplosbaarheid en geheugeneffect kan gebruikt worden in printbare magnetische elektronica. Hierbij denkt Arkenbout aan functionele inkten, die na het opdrogen een geheugen kunnen vormen zoals dat nu nog in een geheugenchip zit. Ze voorziet dat door de ontwikkeling van printbaar geheugen het in de toekomst zelfs mogelijk is bewegende beelden te printen, in plaats van een statische foto.

Er zijn meerdere ereaders op de markt. Zij werken allemaal nog met statisch beeld. Volgens Anne Arkenbout moet het ook mogelijk zijn bewegende beelden te printen.

NN_Publieksboek_v6 28-09-11 12:16 Pagina 91

3. Kennis van het kleine

leeskoppen van harde schijven. In 1995 ontdekte men het verwante tunnelmagnetoweerstandseffect (TMR). Ook dat effect wordt inmiddels in harde schijven toegepast.’ Hij peinst: ‘Dat weten mensen nauwelijks, maar in harde schijven zitten gewoon al tunnelbarrières van een nanometer dik.’ Om daarna weer in hetzelfde tempo te vervolgen: ‘Wat daarna weer komt, en wat een beetje begon te rommelen toen NanoNed begon, was het fenomeen magnetisme te beïnvloeden door zogenaamde spin overdracht (STT, Spin Transfer Torque). In feite lijkt dit fenomeen op het klassieke magnetoweerstandseffect, dus magnetische ordening die een effect heeft op een elektrisch signaal. STT werkt echter precies omgekeerd: je stuurt een spinstroom door een geleidende structuur, en dat veroorzaakt een magneetveld. Op deze manier kun je dus geen bits lezen, maar schrijven.’ Schematische weergave van de techniek van ultrasnel magnetisch schakelen. Door een ultrakorte laserpuls te schieten op een sandwich van materialen, worden spin-gepolariseerde elektronen uitgewisseld tussen de verschillende lagen.

Revolutionaire ontwikkelingen De onderzoekers gingen van start met een heel duidelijk idee aan welke drie terreinen zij zouden gaan werken: magnetische sensoren en geheugens, het injecteren van spins in halfgeleiders, en magnetische nanodraden en quantumpunten. Over de uiteindelijke resultaten van het onderzoek zegt Koopmans: ‘Er zijn hele revolutionaire ontwikkelingen geweest, die bij aanvang van het flagship grotendeels onvoorzien waren. De ontdekking van grafeen bijvoorbeeld, heeft ervoor gezorgd dat we ook daar onze blik op gericht hebben. Dat is overigens tekenend, in dit soort hoog-technologische gebieden is het nu eenmaal moeilijk om in de toekomst te kijken.’ Oorspronkelijk zou het onderzoek zich onder andere richten op het ontwikkelen van nieuwe generatie magnetische vastestofgeheugens, ofwel MRAMs. Koopmans lacht: ‘Dat is een mooi voorbeeld van het feit dat wetenschap niet planbaar is.’ MRAMs zijn gebaseerd op het tunnelmagnetoweerstandseffect. Ze bestaan uit een regelmatig netwerk van

NN_Publieksboek_v6 28-09-11 12:16 Pagina 92

3. Kennis van het kleine

tunneljuncties op een laag met halfgeleidertechnologie. Het grote voordeel van magnetische geheugens is dat ze hun informatie ook bewaren als er geen elektrische spanning op staat. Een pc uitgerust met zo’n geheugen zou niet meer opgestart hoeven worden voor gebruik. ‘We dachten een aantal jaar geleden dat dit het helemaal zou worden. In 2007 zijn er inderdaad ook wel werkende systemen op de markt gekomen, maar de technologie bleek niet opschaalbaar te zijn. MRAM gebaseerd op STT is dat wel.’ Het onderzoek heeft zich daarom halverwege NanoNed op deze veelbelovende ontwikkeling gestort. Koopmans: ‘In die spin torque is een verbazingwekkende ontwikkeling doorgemaakt. Van iets wat in 2004 misschien als klein piekje te zien was in een signaal boordevol ruis, naar een stadium dat het over een aantal jaar in commerciële producten verwerkt moet zijn. Technologisch is dat in ieder geval haalbaar.’

Licht poolt magneet om Een andere verrassende en revolutionaire vinding was de mogelijkheid om spins te schakelen, en dus minimagneetjes om te polen, met licht. In een harde schijf van een computer wordt informatie opgeslagen doordat een elektromagneet de richting verandert van kleine magnetische gebiedjes. NanoNedonderzoekers in Nijmegen ontwikkelden een methode om magnetische gebiedjes te veranderen met lasers die heel snel aan en uit gaan. Hiermee kan informatie tot

Spintronica is niet alleen interessant voor harde schijven en geheugenelementen.

duizend keer sneller geschreven worden dan in huidige harde schijven mogelijk is.

Spintronica is niet alleen interessant voor harde schijven en geheugenelementen. De magnetoweerstandseffecten zijn ook heel geschikt om zeer gevoelige sensoren mee te maken. Zo leidde gezamenlijk onderzoek van de flagships BioNanoSystems, NanoFluidics en NanoSpintronics tot de ontwikkeling van de techniek Magnetic Particle Imaging bij Philips. Door biologische moleculen te koppelen aan kleine magnetische knikkertjes kunnen deze met een ongekende gevoeligheid opgespoord worden via een sensor gebaseerd op het reuzenmagnetoweerstandseffect.

NN_Publieksboek_v6 28-09-11 12:16 Pagina 93

3. Kennis van het kleine

Spins gaan eigen weg Daarnaast is er vooral heel veel fundamentele kennis opgedaan over het gedrag van spins in verschillende materialen, in verschillende structuren, en onder verschillende condities. Zo hebben de onderzoekers gewerkt aan het injecteren van spins in halfgeleiders als silicium, waar de huidige computerchips van worden gemaakt. Koopmans: ‘We kunnen die spins inmiddels injecteren in gelaagde structuren, er weer uithalen, en hun gedrag in het materiaal met verschillende technieken bestuderen.’ Het blijkt echter heel moeilijk om die spins ook goed te dresseren in het halfgeleidermateriaal. ‘We kunnen die spins heel mooi volgen in de verschillende lagen van een In een racetrack geheugen loopt de informatie in de vorm van een spinstroom langs de leeskoppen.

structuur, maar we kunnen niet voorspellen waar de elektronen uiteindelijk terecht gaan komen. En daarom zie ik een toepassing vooralsnog als een grote uitdaging.’ De opgedane fundamentele kennis heeft echter weer geleid tot een aantal veelbelovende nieuwe toepassingen van spintronica. Zo wordt nu gewerkt aan een zogeheten racetrack memory, een geheugen dat een compleet ander uitgangspunt heeft dan de huidige harde schijven. In bestaande computers staat informatie op een ronddraaiende harde schijf, die wordt uitgelezen door een leeskop. In een racetrack memory is het de informatie zelf die in de vorm van een spinstroom langs de leeskoppen loopt. ‘Op die manier bereik je de snelheid en de directe toegang van een RAMgeheugen, maar met een informatiedichtheid die nog vele malen groter is dan die van de huidige harde schijven. Dit is een ontwikkeling waar ik voor de toekomst veel van verwacht,’ sluit de spinexpert af.

3.5 Technology Assessment Binnen NanoNed was een speciaal contingent onderzoekers aangesteld om de ethische, juridische en sociale aspecten van nanotechnologie te onderzoeken. Flagshipcaptain Arie Rip vertelt over de insteek van het onderzoek: ‘Vanaf het begin hebben we gezegd dat we ons zouden richten op het doen van wetenschappelijke studies van ontwikkeling en evaluatie

NN_Publieksboek_v6 28-09-11 12:16 Pagina 94

3. Kennis van het kleine

Inspectie van het effect van koolstofnanobuizen.

van nanotechnologie. We hebben ons minder gericht op publiekspercepties en maatschappelijk debat. Die keuze hebben we bewust gemaakt, omdat we in Nederland het Rathenau Instituut hebben, dat zich actief inzet voor maatschappelijke discussies over verschillende onderwerpen. Toentertijd richtte dit instituut zich ook al op nanotechnologie als opkomende nieuwe technologie met nog onvermoede gevolgen en impact. Wij hebben er dus voor gekozen dat het TA flagship zich – overigens net als de andere flagships – zou richten op hoogstaand wetenschappelijk onderzoek, dat in ons geval publiceerbaar moest zijn in toptijdschriften op het gebied van maatschappij- en gedragswetenschappen.’ Het onderzoek was gecentreerd rondom vragen als: hoe proberen actoren in verschillende sectoren te anticiperen op en te interveniëren in de ontwikkeling van nanotechnologie? Hoe komen beelden over deze nanotechnologie tot stand en hoe worden deze verspreid? En hoe is de interactie tussen nanotechnologie en verschillende organisaties?

Doelgerichte workshops Rip somt op wat er bereikt is. ‘Op de eerste plaats hebben we de methodologie van constructieve technology assessments verder ontwikkeld. Centraal in deze methodologie staan strategie-articulatie workshops waarin we zijn weggegaan van de klassieke consultant- of facilitatorrol. Er is een uitgebreid voortraject dat bestaat uit een analyse

NN_Publieksboek_v6 28-09-11 12:16 Pagina 95

3. Kennis van het kleine

van de ontwikkelingsdynamiek, het in kaart brengen van krachtenvelden die spelen, en op die basis de constructie van verschillende sociotechnische scenario’s voor ontwikkeling en maatschappelijke inbedding van de betrokken technologie. Deze senario’s vormen op hun beurt de input voor de

'Deze scenario's vormen de input voor de workshopdeelnemers.’

workshopdeelnemers met hun verschillende achtergronden. Zo’n voortraject betekent ook dat

de organisator en de voorzitter van de workshop inhoudelijk voorbereid zijn en op de kwaliteit van de discussie kunnen letten. Juist omdat het terrein van maatschappelijke inbedding van nanotechnologie zo breed is, moet je je beperken tot gebieden en ontwikkelingen waar er iets op het spel staat, zodat actores belang hebben bij zo’n workshop. Deelnemers zijn onderzoekers, industriëlen en mensen uit andere maatschappelijke sectoren en organisaties. Voor hen is zo’n workshop veelal een onvermoede gelegenheid om visies en strategieën van allerlei andere actores te horen. Om dat productief te laten gebeuren, zijn de voorbereiding, de vormgeving en uitvoering van de workshop cruciaal.’ Er zijn verschillende strategiearticulatie workshops georganiseerd.

De methodologie wordt in de praktijk gewaardeerd, zegt Rip. ‘We hebben een aantal van dit soort workshops gehouden op Europees niveau, onder andere op het terrein van plastic elektronica. Onze aanpak werd zeer gewaardeerd door de deelnemers. Ze vonden dat de discussies een stap verder gingen dan ze gewend waren. De methodologie is er nu, daar hoef je in een vervolgprogramma dus geen ontwikkelwerk meer aan te doen. De methodologie kan nu gewoon ingezet worden, ook door reguliere consultants en op andere terreinen.’

NN_Publieksboek_v6 28-09-11 12:16 Pagina 96

3. Kennis van het kleine

Daarnaast is gekeken hoe een ontwikkeltraject veranderd en verbeterd kan worden. ‘We ontdekten dat je alleen succesvol kunt interveniëren als je dat op meerdere niveaus tegelijk doet,’ vat Rip samen. ‘We onderscheiden daarbij het microniveau van de onderzoekers, het mesoniveau van branche-organisaties en financiers, en het macroniveau van nationale regeringen, regulering en liberalisering. Als je er bijvoorbeeld voor wilt zorgen dat er meer aan verantwoorde innovatie wordt gedaan, is het instellen van een gedragscode, zoals de EU van plan is, niet voldoende. Je moet ook de individuele onderzoekers daartoe een stimulans bieden, bijvoorbeeld door ze daar op aan te spreken als ze onderzoeksvoorstellen indienen.’

Binnen de nanotechnologie is sprake van waiting games: aanbod en vraag zitten op elkaar te wachten, en niemand steekt zijn nek uit.

Uit de wachtkamer De onderzoekers zagen ook hoe binnen een nieuw terrein als nanotechnologie actores aan de aanbod- en aan de vraagkant op elkaar kunnen zitten wachten en niemand zijn nek uitsteekt. Rip: ‘Er zijn grootse beloftes over wat nanotechnologie allemaal zal opleveren, maar er zijn nog relatief weinig nano-enabled producten op de markt die echt revolutionair zijn. Dat is ironisch, want de oorzaak hiervoor ligt juist in het diffuse

NN_Publieksboek_v6 28-09-11 12:16 Pagina 97

3. Kennis van het kleine

karakter van de grootse beloftes. De industrie zal onvoldoende investeren als er geen duidelijkheid is over concrete producten. Eindgebruikers hebben nog geen idee wat er mogelijk is, en articuleren geen behoefte. En zo is iedereen in de keten op elkaar aan het wachten wie het initiatief neemt. De belofte van nanotechnologie hangt boven de markt, maar blijft er – op kleinere innovaties na – boven hangen.’ De onderzoekers hebben zich gebogen over een mogelijke uitweg uit deze impasse, zegt de flagshipcaptain. ‘We hebben verschillende scenario’s gemaakt over mogelijke interventies. Een belangrijke mogelijkheid is die van procurement – de overheid stelt zich garant voor aankoop van een product dat nog ontwikkeld moet worden. In een scenario over de ontwikkeling van plastic elektronica voor RFID-chips in nieuwe paspoorten, dat werd getrokken door de Engelse overheid, lieten we zien dat die aanpak niet automatisch succesvol was. Onvoldoende technische beveiliging leidde tot problemen met privacy en het project moest gestopt worden. Tegelijkertijd was er technologisch veel voor elkaar gekregen, onder andere op het punt van encapsulatie van de halfgeleidende plastic laagjes. Die kennis kwam nu beschikbaar, waardoor het Duitse zonnecelontwikkelingsprogramma een stap vooruit kon doen.’ De les die je hieruit kunt trekken, aldus Rip: ‘Interventies leiden niet lineair tot de verwachte uitkomst.’ Zoals dat in het algemeen ook geldt voor voorspellingen van uitkomsten van onderzoek, getuige de in dit hoofdstuk beschreven behaalde resultaten van het onderzoek binnen NanoNed.

NN_Publieksboek_v6 28-09-11 12:16 Pagina 98

4. Rendement

NN_Publieksboek_v6 28-09-11 12:16 Pagina 99

4. Rendement

4 Rendement

NN_Publieksboek_v6 28-09-11 12:16 Pagina 100

4. Rendement

Werken aan nanotechnologie betekent â&#x20AC;&#x2DC;To go where no man has gone beforeâ&#x20AC;&#x2122;. Wetenschappers bestuderen eigenschappen op voorheen ondenkbaar kleine schalen, maken materialen en structuren die nog niet eerder bestonden en manipuleren stoffen op een schaal die vele malen kleiner is dan tot dan toe gebruikelijk was. Omdat dit echt werk aan het voorfront van de wetenschap en techniek is, bestaan er geen kant-en-klare methoden, apparaten en technieken om dit onderzoek mogelijk te maken. Een wetenschapper die zich bezighoudt met nanotechnologie, moet dus een groot deel van zijn onderzoeksobjecten en bijbehorend gereedschap al doende zelf uitvinden en maken.

Het pionierswerk van de onderzoekers resulteerde in bijna zeventig patenten.

Alhoewel het leeuwendeel van de opbrengsten van NanoNed het op alle fronten vergroten van de

wetenschappelijke kennis over nanotechnologie betreft, heeft het programma op bovengenoemde manier zeker ook in economisch opzicht vermeldenswaardige resultaten opgeleverd. Het pionierswerk van de onderzoekers resulteerde bijvoorbeeld in bijna zeventig patenten, op velerlei terreinen. Zo bedachten ze nieuwe concepten voor sensoren en ontwikkelden ondersteunende technieken voor hightech-onderzoek; ze verzonnen een methode voor het gebruiken van magnetische deeltjes in een vloeistof en het detecteren ervan; ze bedachten compleet nieuwe samenstellingen van materialen met nieuwe eigenschappen; en ze ontwikkelden verschillende nieuwe methoden om nanostructuren te schrijven, bestuderen en manipuleren, zoals het direct printen van gewenste structuren op een oppervlak of het gebruiken van STM-meettips gedoopt in polymeren.

4.1 Neus voor toepassing Naast het uitvoeren van kwalitatief hoogwaardig wetenschappelijk onderzoek binnen de nanotechnologie, was een van de expliciete doelen van NanoNed het bevorderen van het gebruik van de resulterende kennis. Dat deed het programma op de eerste plaats door intensief samen te werken met bedrijven, waarvan er een aantal ook volwaardig partner was binnen het consortium. Daarnaast heeft het NanoNedbestuur enkele stimuleringsactiviteiten ontwikkeld. Zo werden er twee Innovation Awards

100

NN_Publieksboek_v6 28-09-11 12:16 Pagina 101

4. Rendement

Innovation Award voor ultrageluidsensor De NanoNed Innovation Award 2008 ging naar Helmut Rathgen, promovendus van het MESA+ instituut aan de Universiteit Twente. Rathgen ontving de onderscheiding voor de uitvinding van een nieuwe ultrageluidsensor, die meer dan honderd keer gevoeliger is dan bestaande sensoren. De nieuwe geluidsensor maakt nauwkeurige echoscopie met een klein mobiel apparaat mogelijk en kan worden gebruikt om de sonarapparatuur van schepen te verbeteren. Hij ontving de prijs op 19 november 2008 tijdens de MicroNano Conferentie in Ede, een gezamenlijk initiatief van MinacNed, MicroNed en NanoNed. De sensor die Helmut Rathgen ontwierp, bestaat uit een glasvezel waarin een gaatje van enkele honderden nanometers is geboord. De vezel wordt in een waterdruppel geplaatst, waardoor in de holte een minuscuul luchtbelletje ontstaat. Het grensvlak tussen dit luchtbelletje en het water werkt als een membraan dat gaat trillen onder invloed van ultrasoon geluid. Door te meten hoezeer het grensvlak trilt, kan de intensiteit van het geluid worden bepaald. De mate van trilling van het grensvlak wordt gemeten met behulp van een lichtstraal die door de glasvezel wordt geleid. Een deel van het licht weerkaatst tegen het grensvlak. Als het grensvlak gaat trillen, kan men aan de hand van de verandering in de weerkaatsing van het licht, de intensiteit van het ultrasone geluid bepalen. Met dit principe kunnen ultrageluidsensoren worden ontwikkeld met een zeer hoge gevoeligheid, die bijvoorbeeld gebruikt zullen worden in medische diagnostiek om scherpere afbeeldingen te maken.

Bij de ultrageluidsensor fungeert het grensvlak tussen water en lucht als een membraan. De trillingen van dit membraan worden gemeten met behulp van licht.

101

NN_Publieksboek_v6 28-09-11 12:16 Pagina 102

4. Rendement

Lichtgevend plastic Siebe van Mensfoort van de Technische Universiteit Eindhoven kreeg de NanoNed Innovation Award 2009 op basis van het promotieonderzoek naar OLED-technologie dat hij bij Philips Research uitvoerde. Van Mensfoort ontving de Award tijdens de jaarlijkse MicroNano Conference die op 5 en 6 november 2009 plaatsvond in Delft. Van Mensfoort bestudeerde OLED's (Organic Light-Emitting Diodes), LED's gemaakt van organisch materiaal. Van Mensfoort ontwikkelde een model dat voorspellingen doet over de efficiency van OLEDs en de kleur van het uitgezonden licht. De moeilijkheid hierbij is dat de moleculen in het werkzame organische materiaal op een wanordelijke manier zijn gerangschikt. In OLEDs bewegen ladingsdragers door de organische laag totdat een elektron en een positief geladen 'gat' elkaar ontmoeten, waardoor licht ontstaat. Het pad dat de ladingsdragers afleggen ziet er voor hen uit als een soort berglandschap waarin ze zoveel mogelijk de laagste punten opzoeken. Dat kost namelijk de minste energie. Hoe gemakkelijk de ladingsdragers zich door het berglandschap bewegen, bepaalt hoeveel licht de OLED geeft en bij welke spanning dat gebeurt. Met het model van Van Mensfoort kunnen de organische leds worden geรถptimaliseerd. De technologie wordt al in beeldschermen toegepast en geldt als een energiezuinig alternatief voor LCD- en plasmaschermen. Het ontwikkelde model is overgedragen aan Fluxim, een Zwitsers bedrijf dat is gespecialiseerd in OLED-simulatiesoftware.

102

NN_Publieksboek_v6 28-09-11 12:16 Pagina 103

4. Rendement

Tijdens de jaarlijkse MicroNanoconferentie wisselden alle betrokkenen kennis uit en werden nieuwe contacten gelegd.

uitgereikt aan onderzoekers met een veelbelovend idee, om hen te stimuleren dat idee verder te brengen in het traject naar een bruikbaar product. Om de onderzoekers erop te wijzen dat hun onderzoek wellicht ook interessante resultaten opleverde voor bedrijfsleven en maatschappij, organiseerde NanoNed valorisatiecursussen. Een aantal flagships heeft in aanvulling daarop zelf nog aparte cursussen aangeboden. In totaal heeft ongeveer de helft van alle NanoNedonderzoekers deelgenomen aan een valorisatiecursus. Tot slot bood NanoNed haar onderzoekers de mogelijkheid aan cursussen te doen op het gebied van intellectuele eigendomsrechten. Het flagship NanoMaterials was een van de programma-onderdelen die zelf extra aandacht besteedden aan kennisdeling, zegt voorman Guus Rijnders. â&#x20AC;&#x2DC;Binnen het flagship hebben we actief kennisdeling gestimuleerd. We hadden elk half jaar een tweedaagse bijeenkomst, waarop we inventariseerden wie waar mee bezig was. De eerste dag was altijd bedoeld voor de promovendi. Ze vertelden aan welke problemen ze werkten en met welke vragen ze worstelden. Op die manier hebben we de samenwerking tussen de onderzoekers zeker bevorderd. De tweede dag was meer een reguliere gebruikerscommissievergadering, waarbij de gebruikers via presentaties hoorden waar de onderzoekers mee bezig waren, en ze het onderzoek soms wat konden bijsturen.â&#x20AC;&#x2122;

103

NN_Publieksboek_v6 28-09-11 12:16 Pagina 104

4. Rendement

Rijnders benadrukt dat valorisatie niet alleen betekent dat het bedrijfsleven geïnteresseerd moet raken in onderzoek. ‘In de loop van de tijd is de focus van die eerste dag voor de promovendi steeds meer verschoven naar het leren hoe je je onderzoek moet vertalen naar een breder publiek. En met een breder publiek bedoel ik niet alleen de maatschappij of het bedrijfsleven, maar ook collegaonderzoekers. Ik vind het heel belangrijk dat onderzoekers af en toe een beetje afstand nemen en actief nadenken over welke aspecten van hun onderzoek ook interessant kunnen zijn voor anderen. Dat kan software zijn die je voor Onderzoek aan depositie van ultradunne lagen magnetisch materiaal met ultrahoog vacuüm apparatuur.

je metingen hebt ontwikkeld, een model, een materiaal. Dat soort bijproducten van je onderzoek kan voor andere onderzoekers of voor het bedrijfsleven heel bruikbaar zijn.’ Maar de inspanning moet volgens hem niet alleen van de onderzoekers komen. ‘Daarom heb ik ook bedrijven gemotiveerd om hun probleem wat meer van een afstand te bekijken. Wat is er zo uniek aan jouw probleem? Valt het ook te generaliseren? Op die manier kunnen onderzoek en ontwikkeling elkaar versterken.’

4.2 Demonstratiemodellen Sommige onderzoeksprojecten bleken zo voorspoedig te verlopen, dat binnen de duur van een promotietraject al prototypes van nieuw apparaten of technieken werden ontwikkeld. NanoNed leverde zo in totaal 55 demonstratiemodellen of prototypes van nieuwe technologie op. Bijvoorbeeld software voor de modellering van de meetonzekerheid in scanning probe microscopie, een testkamer om te onderzoeken hoe materialen reageren op beschijning

NanoNed leverde in totaal 55 demonstratiemodellen of prototypes op.

met ultraviolet licht, of gespecialiseerde tips voor scanning probe technieken. De ontwikkelde

methoden en apparatuur hebben veelal te maken met detectie van gassen, vloeistoffen, biologische componenten en vaste stoffen op onzichtbaar kleine schaal. Alhoewel deze sensoren in eerste instantie grotendeels werden ontwikkeld als middel om verder onderzoek te kunnen doen aan nanomaterialen, hebben ze daarnaast ook andere toepassingsmogelijkheden. Zo leverde het onderzoek al sensoren op voor het nauwkeurig meten van de temperatuur van water; voor het detecteren van magnetische

104

NN_Publieksboek_v6 28-09-11 12:16 Pagina 105

4. Rendement

Valorisation vouchers In 2010 gaf NanoNed vijf nanotechnologische ideeĂŤn elk vijftigduizend euro om commercieel uitgewerkt te worden. Deze Valorisation vouchers werden toegekend aan projecten die volgens een jury op korte termijn zicht op succes bieden.

De productie van actieve en passieve monodisperse polymeren membranen, Kees Bastiaansen van de Technische Universiteit Eindhoven. Lithografische membranen worden veel gebruikt voor het filtreren of opsporen van kleine deeltjes. Die membranen werken goed, maar hun productie is duur. Bastiaansen verkende hoe je met holografische technieken polymere membranen kunt maken. Nanocapsules om kankermedicijnen te verpakken, Suzanne Bryde van de Universiteit Utrecht. Een van de succesvolle chemokuren voor kankerbestrijding bestaat uit een medicijn dat gehecht is aan platinadeeltjes. Helaas heeft dit middel ernstige bijwerkingen en is het lastig toe te dienen. Bryde bracht de mogelijkheid in kaart om het middel in een biologisch afbreekbare hydrogel te verpakken. Urinetest, Jan Eijkel van de Universiteit Twente. Eijkel werkte aan calciumconcentratiebepaling in urinemonsters van vee met lab-op-een-chipsystemen. Dat is nu nog moeilijk in de stal vast te stellen, terwijl het een belangrijke indicator is voor de gezondheid van vee. Hydrogel, Menno de Jong van Biomade. De Jong werkte aan nanofiber hydrogels als kweekmedium voor zoogdiercellen. Dergelijke celculturen worden veel gebruikt in de wetenschap en voor productie. Biomade heeft een hydrogel met nanovezels ontwikkeld die daarvoor uitstekend geschikt lijkt. Biosensorcoating, Han Zuilhof van Wageningen Universiteit en Researchcentrum. Zuilhof ontwikkelde een methode voor het onder milde condities aanbrengen van biosensorcoatings. Microscopisch kleine kanalen om vloeistoffen doorheen te geleiden vormen een van de onderdelen van biosensoren. De coating van de binnenwand van de kanaaltjes is belangrijk om de vloeistoffen goed te geleiden. Nu worden die nog aangebracht via tamelijk agressieve chemische reacties. Zuilhof en zijn collega's hebben een vriendelijk alternatief gevonden.

Jan Eijkel kreeg een Valorisation voucher voor het nemen van urinemonsters van vee met lab-on-achipsystemen. Hiermee kunnen boeren de gezondheid van hun vee sneller en goedkoper in de gaten houden.

105

NN_Publieksboek_v6 28-09-11 12:16 Pagina 106

4. Rendement

deeltjes, eventueel gekoppeld aan bioactieve stoffen; voor koolstofdioxide, en voor het meten van het gehalte aan stikstofoxide in de longen van astmapatiënten om astma-aanvallen te voorspellen.

4.3 Nieuwe bedrijven De weg van een prototype tot een commercieel verkrijgbaar product is lang. Een eerste prototype is vaak bedoeld om te demonstreren dat het wetenschappelijke idee ook daadwerkelijk werkt. Een commercieel product moet echter aan een hele rits praktische eisen voldoen. Het moet reproduceerbaar en zo goedkoop mogelijk te maken zijn, het moet een bestaand probleem van potentiële klanten oplossen, en in het geval van een medische toepassing, moet het ook voldoen aan hele strenge eisen voor gebruik. De meest voor de hand liggende manier voor een wetenschapper om zijn idee naar de markt te brengen, is samenwerken met een bedrijf. Binnen NanoNed werd veelvuldig overleg gevoerd met betrokken bedrijven in zogeheten gebruikerscommissies. Rondom elk onderzoeksproject werd zo’n commissie van geïnteresseerde

Een commercieel product moet aan een hele rits praktische eisen voldoen.

bedrijven en maatschappelijke instellingen geformuleerd, en op regelmatige basis werd de voortgang

van het project besproken. Op deze manier weten mogelijke gebruikers van een nieuwe technologie in een vroeg stadium wat er speelt, en kunnen onderzoekers een gevoel krijgen wat er nog moet gebeuren voordat het bedrijf het idee overneemt en verder gaat ontwikkelen.

Bedrijvigheid stimuleren Sommige onderzoekers willen hun idee ook zelf verder brengen. Om dit te stimuleren, stelde NanoNed Valorisation Vouchers in. Het bijbehorende bedrag van 50.000 euro was bedoeld als investering om een innovatief idee een stap verder te brengen. Daarnaast investeerde NanoNed in de Valorisation Grant van Technologiestichting STW. Dit subsidie-instrument ondersteunt in twee fases onderzoekers in het marktrijp maken van veelbelovende ideeën. In de eerste fase kunnen ze 25.000 euro krijgen om een marktonderzoek uit te voeren. In de tweede fase is 200.000 euro beschikbaar voor het verder uitontwikkelen van het product en het

106

NN_Publieksboek_v6 28-09-11 12:16 Pagina 107

4. Rendement

optuigen van de benodigde organisatie om het ook daadwerkelijk op de markt te brengen. In totaal zijn er vijf Fase-I en twee Fase-II grants geheel of gedeeltelijk door NanoNed gefinancierd. Huub Salemink, voorzitter van het Valorisatie Platform van NanoNed, vertelt hoe dit in zijn werk ging: ‘STW draaide gewoon een ronde met open Huub Salemink, voorzitter van het Valorisatie Platform van NanoNed.

indiening. Pas als de beoordelingscommissie haar oordeel had gegeven, keek STW of er honoreerbare voorstellen waren die binnen de scope van NanoNed vielen.’ Dat betekende overigens niet dat alleen onderzoekers die al onderdeel uitmaakten van NanoNed kans maakten op financiering door het consortium. ‘Kansrijke ideeën van anderen die binnen ons terrein vallen, adopteerden we,’ zegt Salemink. Al deze inspanningen om het valorisatiebesef bij onderzoekers te bevorderen, hebben onder andere tot de oprichting van nieuwe bedrijfjes geleid. Op dit moment zijn er dertien bedrijven actief, die hun wortels hebben in of geprofiteerd hebben van NanoNedonderzoek. Leiden Probe Microscopy (www.leidenprobemicroscopy.com, opgericht in 2004) ontwikkelt gespecialiseerde scanning probe technieken, die bijvoorbeeld onder hoge druk, in vloeistoffen, of tijdens temperatuurveranderingen van 250 graden Celsius real time met nanometerresolutie beelden kunnen maken. Medimate B.V. (www.medimate.com, opgericht in 2005) ontwikkelt labon-a-chip toepassingen. Het bedrijf bracht bijvoorbeeld al een chip op de markt waarmee manisch-depressieve patiënten zelf het gehalte aan lithium in hun bloed kunnen meten. SolMateS (www.solmates.nl, opgericht in 2006) is gespecialiseerd in het ontwikkelen en commercialiseren van chip-productiemachines die een dun laagje beweegbaar materiaal op de computerchip kunnen aanbrengen.

107

NN_Publieksboek_v6 28-09-11 12:16 Pagina 108

4. Rendement

Magnotech Venture (www.philips.com/magnotech, opgericht in 2006) is een joint venture. Doel is om een nieuw type biosensor te vermarkten die gebruik maakt van magnetische nanodeeltjes om moleculen mee te identificeren in bloed en speeksel. Elf Software (www.elfsoftware.eu, opgericht in 2008) is gespecialiseerd in de ontwikkeling van software en hardware voor het verzamelen, verwerken en analyseren van meetdata. Blue4Green (www.blue4green.com, opgericht in 2008) werkt aan een lab-ona-chip techniek voor het stellen van betere en snellere diagnoses bij zieke dieren. MyLife Technologies (www.mylifetechnologies.nl, opgericht in 2008) werkt aan de technologische ontwikkeling van een â&#x20AC;&#x2DC;microneedle-integrated patchâ&#x20AC;&#x2122;, een soort pleister waarop een heleboel kleine naaldjes, zogenaamde micronaaldjes, zitten. Nano-FM BV (www.nano-fm.nl, opgericht in 2010) richt zich op de ontwikkeling van synthetische micro-omgevingen die het mogelijk maken levende zoogdiercellen optimaal te kweken buiten het lichaam. EUPhoenix Laser Systems BV (www.euphoenix.com, opgericht in 2010) ontwikkelt een nieuw type laserdiodes voor telecomtoepassingen. Integrated Plasmonics (www.integratedplasmonics.com, opgericht in 2010) werkt aan grote matrices van parallelle sensoren om kleine hoeveelheden moleculen mee te detecteren. Nanostage3D (www.Nanostage3D.com, opgericht in 2010) houdt zich bezig met het ontwikkelen en verkopen van stages (onderstellen) voor scanning probe microscopen. Surfix B.V. (opgericht in 2011) richt zich op het ontwikkelen van functionele oppervlakken. teQnode (www.teqnode.com, opgericht in 2011) is een consultancy bedrijf dat zich bezighoudt met onderzoek op het gebied van Technology Assessments.

108

NN_Publieksboek_v6 28-09-11 12:16 Pagina 109

4. Rendement

4.4 Faciliteiten voor Nederlands bedrijfsleven Een blijvend resultaat van NanoNed dat ook in economisch opzicht waarde oplevert, zijn de faciliteiten die binnen NanoLabNL en WENA zijn gerealiseerd. Het gaat hier om nationale faciliteiten die dan ook voor iedereen die zich bezighoudt met nanotechnologie toegankelijk zijn. Binnen de looptijd van NanoNed zijn er rondom deze faciliteiten al verschillende samenwerkingsverbanden ontstaan. Zo werkt het MESA+ Nanolab Twente intensief samen met het FOM-Instituut voor Plasmafysica Rijnhuizen aan de analyse van gegroeide EUV-spiegels. Tevens werkt het Twentse lab samen met het Nederlands Kanker Instituut Amsterdam, het Medisch Spectrum Twente en de Rijksuniversiteit Groningen aan NMR-onderzoek. De faciliteiten zijn echter niet alleen beschikbaar voor onderzoekers, maar ook voor het bedrijfsleven. Binnen het Kavli Nanolab Delft werd de apparatuur bijvoorbeeld in 2010 meer dan een vijfde van de tijd gebruikt door externen, waarvan de helft afkomstig was uit de industrie. Het bedrijfsgebruik van de faciliteiten lag bij TNO zelfs nog hoger: in 2010 was de industrie verantwoordelijk voor tachtig procent van de dik achtduizend uur aan extern gebruik van de aldaar aanwezige apparatuur en kennis. Bij het Zernike Nanolab Groningen maakten bedrijven als Crystal Q, Photinis en Sentron gebruik van de faciliteiten. MESA+ Nanolab Twente, Zenike Nanolab Groningen, Nanolab@tue, Kavli NanoLab Delft en de faciliteiten bij TNO vormen samen NanoLabNL. Dit consortium blijft bestaan met financiĂŤle steun van 37 miljoen euro uit FES-gelden voor de periode 2008-2014, en spant zich in om in de toekomst het industriĂŤle gebruik van de faciliteiten te bevorderen. De investeringen in het kader van WENA betroffen in principe apparatuur die specifiek voor het onderzoek ter plaatse (Wageningen, Eindhoven,

109

NN_Publieksboek_v6 28-09-11 12:16 Pagina 110

4. Rendement

Nijmegen en Amsterdam) bedoeld was. Buiten de normale uren kunnen externe partijen echter ook gebruik maken van de infrastructuur. Dat is in de afgelopen jaren ook veelvuldig gebeurd.

4.5 Kennis en kunde in knappe koppen Patenten, producten, bedrijven... dat zijn de eerste onderwerpen waar vaak over gesproken wordt als het gaat om het economisch rendement van een investering. Maar een investering in wetenschappelijk onderzoek is vooral een investering in mensen, benadrukken alle betrokkenen bij NanoNed. ‘We hebben meer dan tweehonderd jonge mensen opgeleid en tot een doctorstitel gebracht. Die mensen zijn overal in de maatschappij terechtgekomen. Ze zijn te vinden

'De belangrijkste opbrengst van het programma zijn de jonge mensen die zijn opgeleid.'

in de wetenschap, in het hightechbedrijfsleven of in ondernemerskringen. Dat is de belangrijkste

opbrengst van dit programma. De waarde daarvan is onmogelijk in euro’s uit te drukken,’ betoogt onder andere David Reinhoudt. Alle flagshipcaptains sluiten zich daarbij aan. Jurriaan Huskens bijvoorbeeld verwoordt het nog sterker: ‘De voornaamste output van een universiteit, en dus ook van dit wetenschappelijk programma, zijn de mensen. Het aanstellen en trainen van mensen is onze belangrijkste taak.’ NanoNed werkte ook als inburgeringscursus op hoog niveau, zegt Wilfred van der Wiel. ‘Met dit grootschalige programma en nieuwe, goede faciliteiten trokken we goede mensen uit het buitenland aan, die na hun promotie in onze hightechbedrijven terecht zijn gekomen. Die mensen zijn in een promotietraject vier jaar getraind, ingeburgerd in de maatschappij en gewend geraakt aan de Nederlandse manier van werken… en die hebben we kant-en-klaar afgeleverd aan verschillende Nederlandse bedrijven.’ Hans Mooij legt aan de hand van zijn onderzoek aan flux qubits uit wat NanoNed-promovendi zo speciaal maakt: ‘Binnen NanoNed werd je

110

NN_Publieksboek_v6 28-09-11 12:16 Pagina 111

4. Rendement

gedwongen een Doorstroom promovendi (N=144)

technologie breder op te zetten dan een enkel academisch project. Als

Promovendi naar â&#x20AC;&#x2DC;overigâ&#x20AC;&#x2122;: 12%

fundamenteel quantumfysicus moest je je bijvoorbeeld ook verdiepen in de Promovendi naar kennisinstelling: 43%

technologie. De promovendi hebben binnen dit onderzoek dan ook alles zelf gedaan. Van het kiezen van het materiaal en het

Promovendi naar bedrijfsleven: 45%

maken van de qubits, tot het doormeten en karakteriseren ervan. Zo hebben we hele slimme mensen opgeleid die op een heel abstract niveau kunnen nadenken, maar die ook gewoon met hun handen iets kunnen maken. Dat zijn waardevolle aanwinsten voor de Nederlandse wetenschap en industrie.â&#x20AC;&#x2122;

111

NN_Publieksboek_v6 28-09-11 12:16 Pagina 112

4. Rendement

Carrière maken met hoogpolig tapijt NanoNedpromovendus Luc Scheres is leergierig. Tijdens zijn studie aan het Hoger Laboratorium Onderwijs wilde hij altijd meer weten dan de lesstof behandelde. Om die honger naar kennis te bevredigen, deed hij een master aan de Universiteit Utrecht, vervolgens een promotie-onderzoek aan de Wageningen Universiteit en daarna een postdocproject aan de Technische Universiteit Eindhoven. 'Ik verander graag van omgeving. Zo leer je andere technieken te gebruiken, ontmoet je nieuwe mensen, en werk je met verschillende materialen.' Promotor Han Zuilhof roemt zijn inzet. 'Hij kwam elke dag honderd kilometer vanuit zijn woonplaats in Limburg naar Wageningen om hier onderzoek te doen. Soms kwam hij zelfs rechtstreeks van de boerderij van zijn ouders, waar hij eerst de koeien nog had gemolken.' Scheres promoveerde bij Zuilhof cum laude op een onderzoek naar het maken van monolaag coatings. 'Als ik het aan mijn vrienden moet uitleggen, vergelijk ik het altijd met een hoogpolig tapijt dat je op een ondergrond legt.' Hij ontwikkelde een methode om bij kamertemperatuur laagjes te maken van één molecuul dik op silicium. 'Silicium zit in vrijwel alle elektronica. In je computer, je mobieltje... Dit soort elektronica wordt steeds kleiner. Ergens houdt dat op. Dan moet je het van de bodem af aan opbouwen,' verklaart Scheres. Hij bestudeerde hoe zo'n laag moleculen zich vormt. Ook keek hij hoe je die laag kunt functionaliseren zodat je er bijvoorbeeld een zeer gevoelige sensor voor biomoleculen van kunt maken. Daarnaast verdiepte hij zich in het maken van structuren in het laagje moleculen en bracht hij de elektrische eigenschappen van de lagen in kaart. 'Er bestonden al wel monolagen, maar die waren niet goed genoeg. Ze bedekten het oppervlak niet optimaal, en als je er elektrische stroom door joeg, gingen ze kapot,' schetst hij de stand van zaken voordat hij aan zijn onderzoek begon. Na vierenhalf jaar aan dit soort oppervlakte chemie gewerkt te hebben, vond hij het tijd voor iets anders. In Eindhoven werkte hij aan vloeibaar kristallijne materialen. En toen vroeg zijn voormalig promotor hem of hij een bedrijfje wilde oprichten om de in zijn groep ontwikkelde oppervlakte chemische technieken te vermarkten. 'Ik heb er goed over nagedacht, en toen besloten het te doen. Het was tenslotte weer een nieuwe uitdaging.

112

NN_Publieksboek_v6 28-09-11 12:16 Pagina 113

4. Rendement

Bovendien was er in de groep van Zuilhof binnen het NanoNedonderzoek zoveel kennis opgebouwd, dat de tijd rijp was om er iets mee te doen.' Met zijn bedrijf SurfiX BV vult Scheres de lacune op tussen onderzoek aan de universiteit en productie binnen grootschalige bedrijven. 'We denken graag mee met onze klanten en ontwikkelen zo nieuwe op maat gemaakte coatings. Vervolgens kunnen klanten bijvoorbeeld duizend chips bij ons inleveren en zetten wij de gewenste laag erop. Dat laatste kun je van een aio niet verwachten, die moet vooral nieuwe dingen ontdekken.' De ondernemende onderzoeker heeft er alle vertrouwen in dat zijn bedrijf een succes wordt. 'Oppervlakte chemie wordt steeds belangrijker. Naarmate de afmetingen van gebruikte materialen kleiner worden, gaat het oppervlak een steeds grotere rol spelen. Dit is echt een groeimarkt.'

Luc Scheres.

113

NN_Publieksboek_v6 28-09-11 12:16 Pagina 114

5. Midden in het leven

114

NN_Publieksboek_v6 28-09-11 12:16 Pagina 115

5. Midden in het leven

5 Midden in het leven

115

NN_Publieksboek_v6 28-09-11 12:16 Pagina 116

5. Midden in het leven

Naast de wetenschap is ook de maatschappij het afgelopen decennium sterk geïnteresseerd geraakt in nanotechnologie. Er verschenen krantenkoppen over het al dan niet vermeende gevaar van nanodeeltjes, futurologen maakten toekomstvisies over hoe nanotechnologie het dagelijks leven zal gaan beïnvloeden, en er ontstonden maatschappelijke discussies aan de hand van science fiction uitingen zoals Michael Crichtons’ boek Prey, waarin een zwerm zelfdenkende nanobots zich organiseert en de mensheid aanvalt. Omdat nanotechnologie nog lang niet uitontwikkeld is, is het moeilijk om nu al te zeggen welke mogelijkheden de technologie daadwerkelijk zal bieden. Welke angsten en bezwaren zijn gefundeerd, en welke zullen echt tot de categorie science fiction blijven behoren? Aangezien NanoNed zich richtte op wetenschappelijk onderzoek aan het front van dit terrein, zag het programma het als zijn taak om de maatschappij te informeren over de huidige stand van zaken, om zo een op feiten gebaseerd debat mogelijk te maken1. Om de publieke meningsvorming over nanotechnologie te stimuleren, werd op 31 maart 2009 van overheidswege de Commissie Maatschappelijke Dialoog Nanotechnologie ingesteld. De door deze commissie te organiseren maatschappelijke

Welke angsten en bezwaren zijn gefundeerd, en welke zullen echt tot de categorie science fiction blijven behoren?

dialoog moest antwoord geven op de vraag hoe de samenleving staat ten opzichte van de kansen en risico’s van

deze technologie en hoe we om moeten gaan met maatschappelijke en ethische gevolgen van de verschillende toepassingen. NanoNedonderzoekers hebben op verschillende manieren op persoonlijke titel bijdragen geleverd aan deze dialoog. Zo was flagshipcaptain Sylvia Speller lid van de commissie. In januari 2011 presenteerde deze commissie haar eindrapport. De bevindingen waren dat de burger positief is over de mogelijkheden van nanotechnologie, maar zich ook bewust is van risico’s. Als de toepassing van nanotechnologie ‘dichter bij het lijf’ komt, is de burger voorzichtiger.

1 Het Technology Assessment onderdeel van NanoNed heeft zich bewust niet gericht op het uitvoeren van deze maatschappelijke discussie. ‘In Nederland bestaat het Rathenau Instituut, dat dit soort discussies aanzwengelt. Juist in de tijd dat NanoNed van start ging, besloot het Rathenau zich te gaan richten op het maatschappelijk debat rondom nanotechnologie,’ motiveert Arie Rip dit besluit. 116

NN_Publieksboek_v6 28-09-11 12:16 Pagina 117

5. Midden in het leven

Een goede informatievoorziening naar de burger over nanotechnologie blijft daarom belangrijk. Men is vooral geĂŻnteresseerd in de toepassingsgebieden gezondheid, voeding, persoonlijke verzorging, veiligheid en privacy. De commissie concludeerde dat Nederland verantwoord door moet gaan met de ontwikkelingen op het gebied van nanotechnologie, maar met aandacht voor de risicoâ&#x20AC;&#x2122;s die de technologie met zich meebrengt.

5.1 Lezingen, optredens en artikelen Binnen NanoNed werkten de beste Nederlandse onderzoekers op het terrein van nanotechnologie samen. Het is daarom logisch dat deze onderzoekers door de media en maatschappij worden gezien als de experts op dit terrein, die kunnen vertellen wat de technologie voor mogelijkheden en onmogelijkheden herbergt. Op verschillende niveaus heeft NanoNed bijgedragen aan het maatschappelijk debat over dit onderwerp. Zo voerden vertegenwoordigers van het NanoNedbestuur discussies met leden van de Tweede Kamer, leverden individuele onderzoekers bijdragen aan het nationale Nanopodium, en traden NanoNedonderzoekers veelvuldig op als experts in de media of als spreker tijdens publieksevenementen. Medewerkers van NanoLabNLfaciliteiten gaven voordrachten over de mogelijkheden van de aangeschafte apparatuur voor organisaties als MKB -verenigingen, de vereniging van cleanroomleveranciers, hoger onderwijs voor volwassenen, en bezoekers van het jaarlijkse Micro-NanoNed symposium. Door hun veelvuldige mediaoptredens in kranten, tijdens publieke lezingen, op de radio of televisie, hebben NanoNedonderzoekers als Albert van den Berg, Dave Blank, Cees Dekker, Nienke Dekker, Ben Feringa, Bert Koopmans, Leo Kouwenhoven, Kobus Kuipers, Ad Lagendijk, Detlef Lohse, Bert Meijer, Hans Mooij, Albert Polman, Theo Rasing, Arie Rip, en Sylvia Speller binnen bepaalde kringen de NanoNedonderzoek haalde veelvuldig de media.

117

status van semi-bekende Nederlander bereikt.

NN_Publieksboek_v6 28-09-11 12:16 Pagina 118

5. Midden in het leven

De meer dan 700 publieke optredens die de verschillende onderzoekers in die zes jaar verzorgden, varieerden van het meewerken aan televisieprogrammaâ&#x20AC;&#x2122;s als Klokhuis, De Wereld Draait Door, EenVandaag, Labyrinth en het NOS-journaal; via het geven van radio-interviews voor BNR newsradio, VPRO Noorderlicht, NOS radio; tot het houden van publiekslezingen voor Science Cafeâ&#x20AC;&#x2122;s, in theaters, en tijdens landelijke evenementen als Kennis op zondag en Oktober Kennismaand. Daarnaast werkten ze mee aan talrijke artikelen voor landelijke en regionale kranten, populairwetenschappelijke uitgaven als Quest, NWT magazine, Bionieuws, Chemisch2Weekblad, de Ingenieur, Technisch Weekblad, Technologiemagazine en opiniebladen als Vrij Nederland.

Nano-onderzoekers als popster In 2008 was NanoNedonderzoeker Dave Blank zelfs een van de acts tijdens het driedaagse festival Lowlands, waar hij in een tent vele honderden mensen aan het duizelen bracht met toepassingen van nanotechnologie en

Dave Blank en Bert Meijer op Lowlands.

nanodeeltjes. Zo liet hij een spijkerbed zien van nanodraden waar een waterdruppel op afstuitert (het lotuseffect): toe te passen zodat kleren niet nat worden en autoruiten geen wissers nodig hebben. Een ander voorbeeld was een laagje nanodeeltjes rondom een kunstheupgewricht, dat ervoor zorgt dat het lichaam de prothese niet meer herkent als staal en hem niet afstoot.

118

NN_Publieksboek_v6 28-09-11 12:16 Pagina 119

5. Midden in het leven

Bert Meijer deed dit kunststukje in 2009 na, toen hij aan 1200 Lowlandsbezoekers uitlegde hoe moleculen en het leven zijn ontstaan, en waarom het ondanks al onze kennis over moleculen en cellen nog niet mogelijk is om leven te maken. NanoNedonderzoekers publiceerden ook met regelmaat zelf opinieartikelen of boekjes waarin de werking van de technologie werd uitgelegd. Zo vroeg Albert van den Berg een kinderboekenschrijfster om een boek te maken over zijn onderzoek. Een pil met een lab erin legt zijn onderzoek uit voor een lezerspubliek van acht tot tien jaar oud. ‘Ik heb meteen gezegd dat ik een deel van het geld dat ik kreeg toen ik de Spinozapremie won, wil besteden aan projecten om mijn vak uit te leggen. En dat begint bij de jongste leeftijden’, aldus de flagshipcaptain. Han Zuilhof vindt door alle inspanningen de kennis en het klimaat rondom nanotechnologie erg veranderd in de afgelopen jaren: ‘De Albert van den Berg gaf opdracht tot het schrijven van een kinderboek over zijn onderzoek.

maatschappij weet in 2011 beter wat nanotechnologie is. In 2003 vond men alles wat nano was nieuw en eng. Nu worden vooral nanodeeltjes soms nog eng gevonden, omdat de gevaren ervan, bijvoorbeeld als je ze inademt, nog niet goed bekend zijn. De hype van nano is wel weer over, maar het onderwerp staat wel stevig op de kaart. Het Technology Assessment van NanoNed heeft bijvoorbeeld bijgedragen aan de beheersbaarheid van de emoties rondom de discussies over mogelijke risico’s, aan safety assessments en aan onderzoeken naar toxiciteit.’

5.2 Netwerk en naamsbekendheid Naast het uitvoeren van kwalitatief goed wetenschappelijk onderzoek en het stimuleren van het gebruik van de resultaten daarvan, waren de twee andere hoofddoelstellingen van NanoNed het stimuleren van samenwerking binnen de Nederlandse onderzoeksgroepen, en het vergroten van de zichtbaarheid van het Nederlandse onderzoek in het internationale speelveld. Door de flagships in te richten rondom een onderwerp en niet te organiseren per locatie, kwamen onderzoekers vanuit het hele land in contact met elkaar. Dat leverde vele nieuwe samenwerkingsverbanden op.

119

NN_Publieksboek_v6 28-09-11 12:16 Pagina 120

5. Midden in het leven

Guus Rijnders vertelt hoe dit heeft gewerkt: ‘Binnen ons flagship NanoMaterials, dat begon als een verzameling losse projecten, is in de loop der tijd meer samenhang ontstaan. Wij werken hier aan de Universiteit Twente bijvoorbeeld aan complexe oxides. Door het contact binnen NanoNed is er een samenwerking ontstaan met de groep in Groningen die werkt aan organische éénkristallen. We kijken nu samen naar de mogelijkheden om

'Zo'n flagship had precies de goede grootte voor ideeënuitwisseling.'

onze oxidelagen te combineren met hun organische systemen om bijvoorbeeld FETs

te maken. En zo zijn er meer kruisbestuivingen ontstaan. NanoNed als geheel was te groot om met alle onderzoekers een band te hebben. Maar zo’n flagship had precies de goede grootte voor vruchtbare ideeënuitwisseling. Je kunt mensen dan echt leren kennen, je kunt een keer naar iemands lab, en je belt mensen toch sneller op als je een vraag hebt waar ze wellicht mee kunnen helpen.’ Dit was ook de ervaring van Wilfred van der Wiel: ‘NanoNed heeft vooral verbanden gelegd tussen verschillende universitaire groepen, die elkaar anders wellicht minder makkelijk hadden opgezocht. In de loop van de tijd is er een samenhang ontstaan in de verschillende deelprogramma’s, wat vooral ook kwam door de vruchtbare flagshipbijeenkomsten waar je eens wat nieuwe ideeën kon opdoen en uitwisselen.’ Meer samenwerking tussen verschillende disciplines was sowieso onvermijdelijk, zegt zijn collega Jurriaan Huskens: ‘NanoNed was een zeer sterk multidisciplinair ingericht programma. Dat moet ook in dit vak. Alleen al in mijn groep werken chemici, chemisch technologen, biomedici, natuurkundigen en materiaalkundigen samen. De problemen waar we nu voor staan worden ook steeds meer multidisciplinair van aard. Tot twintig jaar geleden zag je een soort verzuiling, iedereen dook steeds dieper op de finesses van zijn vakgebied. Nu zie je juist alle vakgebieden steeds meer bij elkaar komen, met name in de nanotechnologie. NanoNed bod voor mijn groep dan ook een unieke kans om samen te werken met andere groepen. Er zijn relatief weinig fondsen die dat mogelijk maken. Met NanoNed konden we echt een gezamenlijke vuist maken.’

120

NN_Publieksboek_v6 28-09-11 12:16 Pagina 121

5. Midden in het leven

Aanspreekpunt bedrijven Albert van den Berg ziet een ander voordeel van het nationale netwerk dat is opgebouwd: ‘Je krijgt zo echt een goede kruisbestuiving tussen technologie en theorie. Ook voor bedrijven is zo’n groot consortium prettig, zij hebben een duidelijk aanspreekpunt als ze met specifieke problemen zitten waar ze een oplossing voor zoeken.’ Hij spreekt hier uit eigen ervaring. ‘NanoNed was echt een groep waarin samenwerking en uitwisseling op de eerste plaats kwamen. Door het flagship Nanofluidics is een veld dat sterk in opkomst was echt volwassen geworden. Er zijn binnen Nederland stevige banden ontstaan tussen de groepen in Twente, Delft, Amsterdam, Eindhoven en Wageningen. Doordat er meer focus kwam op een onderwerp, is de bewustwording ook bij anderen gegroeid dat dit een interessant gebied is. Daarvan hebben ook de randgebieden rondom dit onderwerp geprofiteerd. En ten slotte heeft dat toch ook tot een betere uitstraling geleid op internationaal terrein. De NanoFluidics workshop die we hier houden wordt zeer gewaardeerd, ook in het buitenland.’ Daarmee komen we op het tweede punt: hoe heeft NanoNed de positie van Nederland op internationaal terrein beïnvloed? Onverdeeld gunstig, oordelen de betrokkenen.

Omvang en faciliteiten Van zeer groot belang daarvoor waren twee zaken: de omvang van het programma, die door de grootschalige bijdragen van de betrokken partners voor een klein land als Nederland imponerend was, en de grootschalige investeringen in infrastructuur. Albert Polman voegt hieraan toe: ‘Daarnaast heeft de grote som geld die in het nano-onderzoek werd gestoken zeker een aantrekkende kracht gehad op jong talent. Als je als afstudeerder op het jaarlijkse NanoNedcongres komt, dan denk je “Daar gebeurt wat, daar moet ik bijzijn”. Zo’n grote som geld maakt een bepaald NanoNed had een grote aantrekkingskracht op jonge onderzoekers.

121

onderwerp wel ineens belangrijk, je staat meer in de schijnwerpers.’

NN_Publieksboek_v6 28-09-11 12:16 Pagina 122

5. Midden in het leven

Wilfred van der Wiel beaamt dat het programma grote aantrekkingskracht had op jonge onderzoekers, en niet alleen uit Nederland: ‘NanoLabNL is een hele belangrijke opbrengst van het programma. Hier in Twente is de faciliteit pas aan het einde van het programma geopend, daar gaan we nu de vruchten van plukken. Ook wervingstechnisch is zoiets heel belangrijk. Als je goede mensen wilt aantrekken, uit Nederland maar ook uit het buitenland, is zo’n topfaciliteit met state-of-the-art technieken zeker een pre.’ NanoNed werd binnen Europa vooral bekend vanwege de consortiumvorming en investeringen in projecten, personen, flagships en infrastructuur. Deze zichtbaarheid is gebruikt door bestuurslid Huub Salemink bij de internationale bijeenkomst over nanotech 2006 in

'Als je goede mensen wilt aantrekken, is zo'n topfaciliteit met state-of-the-art technieken zeker een pre.'

Brussel, als adviseur voor de jaarlijkse CNRS/CEA infrastructuurverbetering BTR in Parijs, bij de COMS-meeting 2009 en 2010, de HighTech connections meetings in de

Verenigde Staten in 2006 en 2008 en bij de opening van het ETH/IBM NanoLab in 2011. ‘In deze situaties was de vorming van het NanoNedconsortium en haar werkwijze exemplarisch,’ zegt hij. ‘Daarnaast is de samenwerking leidend geweest bij de vorming van het 3TU centre voor NanoApplicaties in 2006,’ voegt de NanoNedbestuurder daaraan toe. ‘NanoNed heeft er zeker voor gezorgd dat de Nederlandse nanotechnologie internationaal meer uitstraling heeft gekregen. De investering in NanoLabNL is met name heel sterk geweest, omdat de eindgebruiker nu vrijwel geen investeringen in apparatuur hoeft te doen en proceskennis wordt gedeeld. Philips heeft later met MiPlaza min of meer hetzelfde concept gelanceerd,’ zegt Diederik Maas. Guus Rijnders vat samen hoe de Nederlandse nanotechnologie na afloop van het NanoNed-programma ervoor staat: ‘Door NanoNed is de kennis en infrastructuur op het gebied van nanotechnologie op dit moment van de hoogste kwaliteit. Nu wordt het tijd om te gaan oogsten. NanoNed als geheel heeft nationaal en internationaal voor bekendheid gezorgd. Nanotechnologie staat nu bij de politiek, subsidieverleners en de industrie sterk op het netvlies. In het buitenland heeft het volgens mij de naam die Nederland, en een instelling als MESA+, al had, alleen maar meer versterkt.’

122

NN_Publieksboek_v6 28-09-11 12:16 Pagina 123

5. Midden in het leven

Japan office Op het terrein van internationale samenwerking heeft NanoNed een opmerkelijke stap gezet. In 2008 werd er een virtueel kantoor geopend in Japan. Waarom juist daar? Wetenschappelijk directeur Wilfred van der Wiel vertelt hoe dat zo kwam: 'In de beginjaren van NanoNed gingen we vaker naar de grootste conventie op het gebied van nanotechnologie ter wereld, gehouden in Tokio. We hadden daar in eerste instantie enkel een standje met materiaal vanuit het programma. Maar al snel wilden we daar meer uit halen. In Japan wordt veel geïnvesteerd in nanotechnologie, de Japanners hebben ook enorm veel patenten op dat terrein. We wilden de banden tussen Nederland en Japan dus

‘Het Japan office fungeerde vooral als makelaar tussen onderzoekers en bedrijven uit beide landen.’ wat meer aanhalen. We zijn daarom gestart met een extra programma naast de conventie, waarin we een aantal instellingen bezochten. Later hebben we het NanoNed Japan Office opgezet. Dat fungeerde vooral als makelaar tussen onderzoekers en bedrijven uit beide landen. Zo hebben we verschillende Nederlandse studenten daar aan een stageplaats kunnen helpen, zijn er Japanse studenten naar Nederland gekomen en hebben we Nederlandse en Japanse bedrijven met elkaar in contact gebracht. We hebben gezamenlijke workshops georganiseerd en gezamenlijke onderzoeksprojecten gestart. Op dit moment zijn we aan het kijken of we die activiteiten ook binnen het vervolgprogramma NanoNextNL kunnen gaan voortzetten. Japan en Nederland hebben een gezamenlijk wetenschappelijk verleden dat meer dan vierhonderd jaar teruggaat, een traditie waaraan we graag vervolg willen geven.'

123

NN_Publieksboek_v6 28-09-11 12:16 Pagina 124

6. Hoe nu verder?

124

NN_Publieksboek_v6 28-09-11 12:17 Pagina 125

6. Hoe nu verder?

6 Hoe nu verder?

125

NN_Publieksboek_v6 28-09-11 12:17 Pagina 126

6. Hoe nu verder?

Zoals in de voorgaande hoofdstukken is beschreven, heeft NanoNed geleid tot wetenschappelijke doorbraken, honderden hoogopgeleide mensen, verschillende patenten, producten en bedrijven, grootschalige state-of-theart onderzoeksfaciliteiten en een stevig nationaal netwerk van bijzonder goede onderzoekers, die gewend zijn om samen te werken met het bedrijfsleven. Deze ingrediënten vormen tesamen een ideale voedingsbodem voor de toekomst.

6.1 Onderzoekslandschap voor de toekomst Flagshipcaptain Albert Polman licht dit toe: ‘Het feit dat er intensieve samenwerking is ontstaan tussen verschillende universitaire groepen onderling, en tussen wetenschap en bedrijfsleven, maakt het makkelijker om nu weer samen dingen te ondernemen. Je kent elkaar al, je weet wie je voor welke expertise moet hebben en er is een band van onderling vertrouwen opgebouwd.’ Daarnaast was NanoNed zo groot van omvang, dat het geleid heeft tot nieuwe leerstoelen aan universiteiten, een aantal masteropleidingen aan de Nederlandse onderwijsinstellingen, en nieuwe specialisaties van onderzoeksinstituten. Zo zegt Polman, die zelf directeur is van onderzoeksinstituut AMOLF: ‘Een

'NanoNed heeft de kiem gevormd voor onze huidige activiteiten.'

van de doelen van NanoNed was ook om ervoor te zorgen dat het onderzoek verankerd zou worden binnen het

Nederlandse onderzoekslandschap. Dat is wat ons flagship betreft zeer goed gelukt. We hebben hier bij AMOLF bijvoorbeeld een Center for Nanophotonics opgericht, wat er zonder NanoNed niet had kunnen komen. NanoNed heeft geïnvesteerd in een nieuwe cleanroom en in apparatuur, en heeft ervoor gezorgd dat we hier mensen konden aannemen. Het programma heeft zo een stevige basis gelegd en een kritische massa opgebouwd waardoor we als AMOLF er ook zelf in konden en wilden investeren. Eigenlijk kun je zeggen dat NanoNed zo de kiem heeft gevormd voor onze huidige activiteiten op dit terrein.’ NanoNed heeft daarnaast op beleidsniveau aan het begin gestaan van de toekomstige verankering van nanotechnologie in Nederland. Om richting te geven aan de toekomstige inzet van Nederland op dit terrein, hebben NanoNed, Technologiestichting STW en FOM in 2008 op verzoek van het kabinet de Strategische Research Agenda (SRA) Nanotechnologie

126

NN_Publieksboek_v6 28-09-11 12:17 Pagina 127

6. Hoe nu verder?

opgesteld. Deze agenda verwoordt de gezamenlijke ambitie voor nanowetenschap en -technologie in Nederland, en heeft de basis gelegd voor drie initiatieven om hier invulling aan te geven. De coördinatie van deze drie programma’s wordt door Technologiestichting STW verzorgd.

NanoLabNL De investeringen die NanoNed heeft gedaan in NanoLabNL hebben een vervolg gekregen in een investering van 37 miljoen euro vanuit het FESfonds 2009. De stichting NanoLabNL zal de gerealiseerde nationale grootschalige onderzoeksfaciliteit op het gebied van nanotechnologie de komende jaren continueren en versterken. NanoLabNL bundelt gespecialiseerde state-of-the-art onderzoeksfaciliteiten van de Nederlandse wetenschappelijke en industriële kennisinfrastructuur tot één nationale infrastructuur. Het NanoLabNL consortium bestaat uit MESA+ (Universiteit Twente), het Kavli Institute of NanoScience (Technische Universiteit Delft), de Technische Universiteit Eindhoven, het Zernike Institute for Advanced Materials (Rijksuniversiteit Groningen), TNO Science & Industry Research en Philips Research. Deze partners investeren 37 miljoen euro (waarvan bijna dertig miljoen euro afkomstig is uit FES-gelden) in het creëren van faciliteiten ten behoeve van De MESA+ cleanroom is een onderdeel van NanoLabNL.

bionanotechnologie en nanomedicine, en in onderzoek naar de risico’s van nanotechnologie. NanoLabNL is er niet alleen voor de wetenschap; zo’n veertig procent van de tijd kan het bedrijfsleven de faciliteiten gebruiken.

127

NN_Publieksboek_v6 28-09-11 12:17 Pagina 128

6. Hoe nu verder?

NanoNextNL Het grootste initiatief voor de toekomst is NanoNextNL. Dit programma is een voortzetting van resultaten uit de programma’s NanoNed en MicroNed. De totale omvang van NanoNextNL bedraagt 250 miljoen euro. Hiervan wordt 125 miljoen euro bijgedragen door het samenwerkingsverband van meer dan honderd bedrijven, universiteiten, kennisinstituten en universitaire medische centra. De overige 125 miljoen euro komt uit het FES-fonds van de overheid (2009). NanoNextNL zet het huidig onderzoek voort en verbreedt het verder richting toepassingen en producten. Door in te spelen op maatschappelijke ontwikkelingen, gaat NanoNextNL een bijdrage leveren aan oplossingen voor uitdagingen op het gebied van gezondheid, voeding, energie en schoon

'Die combinatie van fundamenteel en toepassingsgericht onderzoek kan heel vruchtbaar zijn.'

water. Risico-analyse en onderzoek naar de impact van nanotechnologie vormen een belangrijk onderdeel van dit onderzoeksprogramma. NanoNextNL

richt zich op onderzoek binnen tien thema’s: Energie, Nanomedicine, Schoon Water, Voedsel, Beyond Moore (nano-elektronica), Nanomaterialen, Bionanotechnologie, Nanofabricatie, Sensoren en Risicoanalyse & technology assessment van nanotechnologie. ‘In het vervolg op NanoNed, NanoNextNL, is de toepassing van de resultaten nog wat meer aangezet dan in NanoNed het geval was,’ zegt Albert Polman. ‘We hebben van NanoNed geleerd dat die combinatie van fundamenteel en toepassingsgericht onderzoek heel vruchtbaar kan zijn. Overigens is NanoNextNL in alle opzichten een logisch vervolg op NanoNed. Aangezien de kennis verder ontwikkeld is, is het ook normaal dat het onderzoek steeds meer richting de toepassing opschuift.’

NWOnano Om naast het toepassingsgerichte programma NanoNextNL ook ruimte te maken voor voorztetting van meer fundamenteel gericht nano-onderzoek, heeft de Nederlandse Organisatie voor Wetenschappelijk Onderzoek het programma NWOnano opgezet. NWOnano is gericht op het stimuleren van excellent fundamenteel en toepassingsgericht onderzoek op het gebied van nanowetenschap en -technologie in Nederland, om zodoende de internationale concurrentiepositie van Nederland op dit gebied te versterken. Het totale budget van NWOnano voor onderzoeksprojecten

128

NN_Publieksboek_v6 28-09-11 12:17 Pagina 129

6. Hoe nu verder?

Chip meet effect van medicijnen op kankercellen Buiten het lichaam vooraf het effect meten van medicijnen op kankercellen: dat is mogelijk in de speciale chips die NanoNedpromovenda Floor Wolbers van de Universiteit Twente heeft ontwikkeld. De toepassing van deze speciale chip biedt nieuwe mogelijkheden in de diagnose en behandeling van kanker. Zo zijn slechts weinig cellen nodig, zodat vaak geen operatieve biopsie meer gedaan hoeft te worden. Voor een individuele cel is real-time te volgen wat er gebeurt als een medicijn wordt toegediend. Vooraf kan dus buiten het lichaam bepaald worden wat de beste combinatie en dosering is. Er is geen kweek van miljoenen cellen nodig, met risico op cellulaire afwijkingen. De chip zelf is te fabriceren van wegwerpmateriaal dat aan de hoge eisen voldoet die in het ziekenhuis worden gesteld, terwijl de kosten laag blijven. Wolbers heeft onderzoek gedaan naar de celdood, apoptose, van gezonde lichaamscellen en van kankercellen, beiden onder invloed van stoffen die de celdood bespoedigen. Het grote verschil tussen gezonde cellen en kankercellen is het optreden van â&#x20AC;&#x2DC;anoikisâ&#x20AC;&#x2122;: bij gezonde cellen maken cellen zich tijdens het sterfproces los van hun kolonie en sterven dan. Bij kankercellen maken zich wel cellen los, maar die kunnen elders in het lichaam uitzaaien zonder te sterven. Dat onderscheid tussen gezonde cellen en kankercellen is duidelijk te zien in de experimenten op de chip: gezonde endotheelcellen beginnen, in aanwezigheid van de stof TNF-Îą, kenmerken van apoptose te vertonen, maken zich dan los en sterven. Wordt diezelfde stof toegediend als er borstkankercellen in de chip aanwezig zijn, dan wordt de apoptose gestimuleerd, de cellen bewegen naar een andere plek, maar ze gaan niet dood.

Experimentele setup waarbij de chip in een microscoop geplaatst is.

129

NN_Publieksboek_v6 28-09-11 12:17 Pagina 130

6. Hoe nu verder?

bedraagt tien miljoen euro. Hiermee zijn 21 projecten binnen de aandachtsgebieden NanoMedicine, NanoInsights, Nanomaterials & Engineering en Effectanalyse gefinancierd. NanoNed heeft niet alleen de basis gelegd voor deze drie nieuwe concrete investeringen, maar ook voor een positie op de Roadmap Grootschalige Infrastructuur. Daarnaast heeft het programma de Nederlandse nanowetenschap goed gepositioneerd voor nationale partcipatie in Europese onderzoeks- en infrastructuurprojecten.

6.2 Wat gaan we nog ontdekken? Wetenschappelijk onderzoek laat zich slechts ten dele sturen en plannen, blijkt uit deze publicatie. Licht blijkt zich tegen de verwachting in toch op nanometerschaal te laten manipuleren. Een detector die individuele moleculen moet signaleren, blijkt moeilijker te maken dan gedacht. De onverwachte ontdekking van grafeen opent voorheen onvoorstelbare deuren. De plannen die bij aanvang van NanoNed werden gemaakt, waren wat de inhoud van het onderzoek betreft deels speculatief van aard. Sommige paden bleken dood te lopen, andere ontwikkelingen gingen vele malen sneller dan iemand ooit voor mogelijk had gehouden. Een accurate voorspelling geven van wat Nederlandse onderzoekers met de huidige kwaliteit, financiering, nationaal NanoLab TU/e.

netwerk en faciliteiten kunnen realiseren, is onmogelijk. Maar gezien hun ervaring en expertise kunnen de flagshipcaptains wel een realistisch beeld schetsen van toekomstige mogelijkheden. Sommigen dromen zelfs hardop van futuristische toepassingen.

130

NN_Publieksboek_v6 28-09-11 12:17 Pagina 131

6. Hoe nu verder?

6.2.1 Diep in een materiaal kijken Flagshipcaptain Guus Rijnders van NanoMaterials: ‘Binnen mijn vakgebied zou ik graag beter willen leren begrijpen hoe materialen zich gaan gedragen als je ingrijpt op nanoschaal. Daarbij focus ik me in eerste instantie op de rol van de rangschikking van de individuele atomen. Om dat te kunnen bestuderen, hebben we nieuwe gereedschappen nodig. We zijn daarom een nieuw type microscoop aan het ontwikkelen waarmee je enkele lagen diep in een materiaal moet kunnen kijken en elektrische effecten op nanoschaal moet kunnen zien.’ ‘We hebben inmiddels oxidische materialen kunnen maken waarin de ladingsmobiliteiten zo hoog zijn dat je er quantumeffecten in kunt zien. Het was een grote doorbraak dat je dat soort effecten kunt zien in andere materialen dan halfgeleiders. Daar gaan we de komende jaren ook beter naar kijken, zodat we compleet nieuwe systemen kunnen gaan ontwerpen waarvan we bijvoorbeeld de elektrische transporteigenschappen kunnen manipuleren.’ ‘Daarnaast ben ik zeer geïnteresseerd in het onderzoek naar NEMS (nanoelectromechanical systems), en naar piëzoMEMS (systemen waarin de elektrische, mechanische of chemische elementen worden Wafer met piëzomateriaal en elektrodes.

aangestuurd met piëzoelementen, waarin vervorming een elektrische spanning veroorzaakt en andersom). De vraag is of je piëzoMEMS kunt maken voor verschillende soorten toepassingen. Bijvoorbeeld om bloedvatonderzoek te doen, of

'Voor Nederland liggen mooie kansen in medische toepassingen van nanotechnologie.'

vroegtijdig ziektes te diagnosticeren. Daar zie ik voor Nederland mooie kansen: medische toe-

passingen van nanotechnologie. We hebben de kennis, de faciliteiten en het talent, nu de producten nog.’

131

NN_Publieksboek_v6 28-09-11 12:17 Pagina 132

6. Hoe nu verder?

6.2.2 Basismateriaal gezocht Diederik Maas, flagshipcaptain van NanoInstrumentation: ‘De grootste uitdagingen voor de toekomst op het terrein van instrumentarium liggen voor mij in de productiemethode en het ontwerp van structuren die kleiner zijn dan twintig nanometer. Daarnaast is een belangrijke vraag van welke materialen we dat allemaal moeten gaan maken. Wordt de nieuwe technologie gebaseerd op polymeren, op silicium, of misschien wel op grafeen? Met de binnen NanoNed opgebouwde kennis zijn we flink aan de slag om deze vragen te beantwoorden. Zo werken we mee aan oplossingen voor grote maatschappelijke vraagstukken zoals duurzaamheid en schaarste.’

6.2.3 Herbruikbare stempels NanoFabrication flagshipcaptain Jurriaan Huskens: ‘De techniek van het printen van moleculen werkt nu echt nog als een soort inktjet of met een pipet: je vult kanaaltjes van een stempel met inkt. Dat levert een slechte resolutie op en is vrij traag. We willen echter juist snel grote matrices van liefst allerlei verschillende

'We willen juist snel grote matrices van biomoleculen kunnen printen.'

biomoleculen kunnen printen. Dan krijg je dus bijvoorbeeld DNA-chips met verschillende reagens op één chip: elk punt op

de chip herkent een ander stukje van de genetische code. Die verschillende biomoleculen mogen geen interactie hebben met elkaar, alleen met de stof die je met zo’n chip wilt testen.’ ‘Daarnaast willen we toe naar een situatie waarin je een stempel meerdere keren kunt gebruiken. Daar hebben we al een eerste stap in gemaakt, door een techniek te ontwikkelen waarbij één keer vullen genoeg is voor tien prints. Maar uiteindelijk willen we een rechtstreekse inkjetprintmanier ontwikkelen. Dat betekent dat we multikanaals de toevoer rechtstreeks naar het sample leiden.’ ‘De uitdagingen voor de toekomst zitten wat mij betreft vooral in de links van nanotechnologie met de biologie. Hoe maak je een interface tussen levende en dode materie? Hoe communiceren cellen, en hoe kun je die communicatiekanalen gebruiken? Daar is nog veel te leren, zowel in de

132

NN_Publieksboek_v6 28-09-11 12:17 Pagina 133

6. Hoe nu verder?

Onderzoekers willen dit soort bioarrays rechtstreeks kunnen stempelen of printen.

biologie als in de technologie: wat is bijvoorbeeld de invloed van de 3Dtopologie op de functie van een cel? Op welke schaal moet je dit soort systemen bekijken? Nu wordt er op nano- en op microschaal naar gekeken. Maar eigenlijk niet op een schaal in het gebied daartussen, dat is nog steeds erg moeilijk. Vanuit de materialen kijk je altijd eerst naar simpele moleculen, en maak je je systeem daarna steeds moeilijker. Vanuit de biologie werk je met cellen als functionele eenheid. Nu moeten we die afmetingen aan elkaar gaan knopen.’

6.2.4 Ultieme controle Wilfred van der Wiel, flagshipcaptain Bottom-up Electronics: ‘Binnen het terrein van ons flagship blijft het bereiken van betrouwbaarheid en reproduceerbaarheid een heilige graal. Kunnen we op het niveau van moleculaire componenten, die kleiner zijn dan tien nanometer, reproduceerbaar en controleerbaar elektrische schakelingen maken? En kunnen we een zodanige architectuur ontwerpen voor het gebruiken van moleculaire componenten dat mogelijke defecten omzeild kunnen worden en daardoor niet desastreus zijn voor de functionaliteit?’ ‘We gebruiken de natuur als voorbeeld, maar willen uiteindelijk wel zelf robuuste functionaliteit kunnen realiseren gebaseerd op fragiele moleculaire componenten. Dat is nog een hele grote uitdaging. Mensen

133

NN_Publieksboek_v6 28-09-11 12:17 Pagina 134

6. Hoe nu verder?

willen steeds meer controle hebben over steeds kleinere dingen. Ik ben ervan overtuigd dat chemie en zelfassemblage daarvoor onmisbare ingrediënten zijn.’

6.2.5 Weg vinden in woud van signalen Advanced NanoProbing flagshipcaptain Sylvia Speller: ‘De grootste uitdagingen voor de toekomst liggen voor scanning probe mensen zoals ik onder andere in het maken en functionaliseren van meettips. Hoe lang kan een tip betrouwbaar functioneren, en

'Ik verwacht dat we ons over vijf jaar zullen focussen op biologische systemen.'

hoe kan ik dat toetsen? Daarvoor moeten we protocollen ontwikkelen. Om die tips commercieel beschikbaar te maken, moeten we ze kunnen kalibreren en

kwalificeren, en moeten we die kwaliteit ook kunnen bewaken tijdens de metingen. Nederland heeft op dit terrein veel expertise, en daar ligt voor ons dus een belangrijke taak.’ ‘Daarnaast is het belangrijk dat we statistiek gaan ontwikkelen. Als je met een tip van enkele nanometers groot metingen gaat verrichten in grote biologische systemen, zie je elke dag iets anders. Hoe leer je daar nu iets van? Daarvoor moet je informatica gebruiken, die binnen een woud van signalen kenmerkende eigenschappen leert herkennen.’ ‘Ik verwacht dat we over vijf jaar nog een stap complexer kunnen gaan, en dat we dan met name zullen focussen op biologische systemen. Daarnaast verwacht ik veel van de zogenaamde lab-on-a-tip ontwikkelingen. Het inbouwen van sensoren op een tip geeft veel meer mogelijkheden om – zonder het systeem dat je bekijkt te beschadigen – informatie op nanoschaal te krijgen.’ ‘Tot slot verwacht ik dat we in de komende vijf jaar de stap gaan maken van bestuderen van samples naar daadwerkelijke manipulatie. Tien jaar geleden was ongeveer negentig procent van het onderzoek op dit terrein gericht op beeldvorming. Over vijf jaar verwacht ik dat veertig procent van het onderzoek juist zal draaien om het schrijven van structuren met dit soort instrumenten.’

134

NN_Publieksboek_v6 28-09-11 12:17 Pagina 135

6. Hoe nu verder?

Vrijkomen medicijn uit pil gefilmd Medicijnen die we in de vorm van een pil slikken, zitten verpakt in materiaal dat het medicijn door diffusie geleidelijk vrij laat komen. De efficiĂŤntie van de pil wordt grotendeels bepaald door hoe snel en in welke hoeveelheden het medicijn eruit vrijkomt. NanoNedonderzoeker Martin Jurna wist in een internationaal team van wetenschappers met behulp van CARS-microscopie (Coherent Anti-stokes Raman Scattering) de verspreiding van een medicament tegen astma uit verschillende soorten pillen te filmen. CARS is een technologie die gericht specifieke moleculen kan onderscheiden en afbeelden. Er bleken grote verschillen te zijn in de verspreiding van het medicijn vanuit verschillende pillen. Pillen met een glad oppervlak laten het medicijn makkelijker en sneller in de omgeving los dan pillen met een ruwer oppervlak. Deze gegevens zijn relevant, omdat de snelheid waarmee het medicijn vrijkomt bepaalt hoeveel medicijn er moet worden gegeven en hoe vaak. Door medicijnen op de juiste manier in een pil te verwerken, kunnen pillen gemaakt worden die zijn toegesneden op een bepaalde hoeveelheid medicijn. Zo wordt het mogelijk om gecontroleerd te doseren.

Bij een glad piloppervlak (het egale oppervlak links in de opname) hebben zich ook na 120 seconden nog geen kristallen gevormd, terwijl bij het ruwe piloppervlak (rechts en uiterst links in de opname) wel kristallen zijn ontstaan.

135

NN_Publieksboek_v6 28-09-11 12:17 Pagina 136

6. Hoe nu verder?

Computer kan eigen warmte gebruiken NanoNedonderzoekers van de Rijksuniversiteit Groningen zijn erin geslaagd om met behulp van een warmtestroom een deel van het magnetisch moment van een magneet over te brengen naar een ander, niet-magnetisch metaal. Het elektrisch beschrijven van geheugenelementen genereert een behoorlijke hoeveelheid warmte, een ongewenst neveneffect. Onderzoekers Abraham Slachter, Frank Bakker en Jean-Paul Adam hebben laten zien dat die warmte ook nuttig gebruikt kan worden. Door dit nieuwe warmte-effect slim te laten samenwerken met de huidige techniek voor het beschrijven van geheugenelementen zou de efficiëntie van dit proces aanzienlijk kunnen verbeteren, stellen de onderzoekers. Het magnetisch moment van een elektron, de ‘spin’, ligt aan de basis van magnetische dataopslag. In ferromagneten wijzen al deze spins dezelfde kant op en samen vormen zij de magnetisatie van de magneet. De data wordt weggeschreven in magnetische domeinen, de bits. Binnen zo’n domein zijn alle spins óf omhoog (één) óf omlaag (nul) gericht. Een relatief nieuwe, veelbelovende techniek maakt gebruik van de uitwisseling van spins tussen twee magnetische lagen voor het beschrijven en uitlezen van de geheugenelementen. In de huidige techniek gebeurt dit met behulp van elektrische stroom. Deze volledig elektrisch beschrijfbare geheugenelementen zijn beter bekend als MRAM (Magnetic Random Access Memory) en gebaseerd op het spintorque effect.

Een grote elektrische stroom Jc verwarmt de grote magneet (FM1) in dit geheugenelement. De afvoer van warmte van de magneet veroorzaakt een warmtestroom Q over het raakvlak tussen de magneet (blauw) en metaal (geel). Dit transport van warmte veroorzaakt een overdracht van spins tussen de magneet en het metaal. Een tweede magneet (FM2) detecteert het getransporteerde magnetisch moment en zet dit om in een meetbaar voltage.

136

NN_Publieksboek_v6 28-09-11 12:17 Pagina 137

6. Hoe nu verder?

De onderzoekers tonen nu aan dat het ook met warmtestroom mogelijk is om spins uit te wisselen en zo een MRAM-cel te beschrijven. Hun eerste experiment is opgezet om meer informatie te krijgen over de warmte die vrijkomt in geheugenelementen. Ze demonstreren dat warmtestromen een groot effect hebben op de elektrische signalen die gebruikt worden

Het warmte-effect is groot genoeg voor het beschrijven van geheugenelementen in MRAM. voor het uitlezen van deze geheugenelementen. Daarnaast laten ze zien dat het warmteprofiel is uit te lezen met behulp van thermo-elektrische metingen. In het tweede experiment laten ze zien dat ze, door middel van het verwarmen van een magneet, spins kunnen onttrekken ĂŠn transporteren naar een niet-magnetisch materiaal. Het warmteeffect blijkt groot genoeg te zijn om toegepast te kunnen worden voor het beschrijven van geheugenelementen in MRAM, en kan dus in plaats van of naast de elektrische stroom gebruikt worden. Deze resultaten staan aan de wieg van de 'spincaloritronica', een nieuw onderzoeksgebied binnen de spin-elektronica, dat de rol van het magnetisch moment van elektronen in warmtetransport bestudeert.

Afbeelding van een geheugenelement gemaakt met een elektronenmicroscoop.

137

NN_Publieksboek_v6 28-09-11 12:17 Pagina 138

6. Hoe nu verder?

6.2.6 Quantumcomputing leidt tot fundamenteel nieuwe dingen Hans Mooij, flagshipcaptain van Quantum Computing: ‘We kunnen nu drie qubits maken die met elkaar samenwerken. Dat is prachtig natuurlijk, maar voor een beetje zinnige toepassingen heb je er al snel tien miljoen nodig. Om dat te kunnen ontwikkelen, heb je een bedrijf nodig dat daar langdurig en veel in wil investeren. En daarvoor is het risico te groot, en het uiteindelijke nut nog te onzeker. Bovendien begint zo’n bedrijf zijn investering pas terug te verdienen als er daadwerkelijk een complete computer is gebouwd. Bij de ontwikkeling van de huidige pc’s waren er al veel eerder verdienmomenten, bijvoorbeeld toen de eerste transistor er was. Dat is hier niet het geval.’ ‘Ik denk daarom nu dat het onmogelijk is om een quantumcomputer te bouwen zoals we die jaren geleden voor ogen hadden. Dat had een computer moeten worden die bijvoorbeeld grote getallen veel sneller zou kunnen factoriseren. Maar om dat te doen, heb je veel te veel qubits nodig die Bij de ontwikkeling van huidige pc's waren er eerder verdienmomenten. Dat is bij een quantum computer minder het geval.

allemaal coherent functioneren. Om twee coherente qubits te maken, heb je er al dertig nodig om ze aan te sturen. Fundamenteel is dat wel mogelijk, maar zoals gezegd zie ik niemand dat financiële risico dragen.’ ‘Ik denk wel nog steeds dat quantumcomputing heel interessant is. Ik verwacht dat als we honderd tot tweehonderd qubits kunnen maken, we fundamenteel nieuwe dingen zullen kunnen. Wat dan, dat valt niet te voorspellen. We moeten het niet zoeken in het vervangen van huidige computers, maar echt in compleet nieuwe verschijnselen, waarmee je nu nog ondenkbare toepassingsmogelijkheden kunt creeëren.’

138

NN_Publieksboek_v6 28-09-11 12:17 Pagina 139

6. Hoe nu verder?

6.2.7 Brandstof uit zonlicht, onverwoestbare lampen en computers op licht Flagshipcaptain van NanoPhotonics Albert Polman: ‘Als ik nu vijf jaar vooruit kijk, is dat deels koffiedik kijken. Ik denk zelf dat nano heel belangrijk wordt voor energie. Niet alleen voor zonnecellen, maar bijvoorbeeld ook voor brandstofcellen. Letterlijk brandstof maken uit zonlicht, door het in te vangen, te concentreren en er bijvoorbeeld waterstof mee te maken uit water.’ ‘Daarnaast verwacht ik veel van verlichtingstoepassingen. Daarmee bedoel ik bijvoorbeeld het integreren van nanotechnologie in LEDs. Verlichting wordt in de toekomst gegarandeerd totaal anders. Je hebt het dan niet meer over een lampje op je tafel, maar over een lichtgevende muur bijvoorbeeld. Daarnaast wordt de lichtbron een integraal onderdeel van je armatuur. De levensduur van een lamp gaat die van het armatuur overschrijden, dus je hoeft ook geen ontwerpen meer te maken waar je de lamp in kunt vervangen. We kunnen in de toekomst kleuren variëren Verlichting gaat steeds verder af van de traditionele lamp met armatuur.

binnen een lamp, of de intensiteit naar wens aanpassen. Dat zal bovendien allemaal veel minder energie hoeven kosten.’ ‘Een laatste terrein waar we hopelijk sprongen gaan maken, is dat van de geïntegreerde optica. Op dit moment wordt er al veel informatie verstuurd met licht, via glasvezels. Op die manier heb je meer bandbreedte en kun je bijvoorbeeld meer beelden tegelijk versturen via internet. Daarnaast is informatieverwerking met licht veel energiezuiniger dan met elektriciteit. Denk aan Google: elke muisklik kost een kilojoule aan energie. In elke chip wordt nu meer dan de helft van de elektrische energie onbedoeld omgezet in warmte. Je wilt echter die energie gebruiken voor het schakelen van transistoren. De uitdaging voor de toekomst is om een totale conversie te bewerkstelligen naar optische communicatie. Dus van fiber to the home,

139

NN_Publieksboek_v6 28-09-11 12:17 Pagina 140

6. Hoe nu verder?

Tekening van een zonnecel met een zilveren nanostructuur die het zonlicht zodanig vouwt dat het bijna in de lengterichting door de zonnecel gaat reizen. Het zonlicht wordt daardoor efficiënter in elektrische stroom omgezet.

naar light to the chip. Het zou bijvoorbeeld prachtig zijn als je een glasfiber direct kunt inkoppelen op een fotodetector op een chip met een grootte van een geheugencel. Daarvoor moet je dat licht uit die fiber echter wel kunnen focusseren tot een lichtpunt van vijftig nanometer. Alle grote chipfabrikanten als Motorola en Intel hebben dit al jaren op hun roadmaps staan. Maar zo ver zijn we voorlopig nog niet.’

6.2.8 Grote vragen uit biologie BioNanoSystems flagshipcaptain George Robillard: ‘Ik ben redelijk pessimistisch ingesteld, dus ik maak nooit voorspellingen over wat we wanneer in de toekomst kunnen. Ik zit er toch altijd een factor vier naast, het duurt altijd langer dan je denkt. De komende vijf jaar komen de grote vragen voor ons vooral uit de biosfeer. Denk aan regeneratieve geneeskunde en weefselkweek, of synthetische biologie: nieuwe moleculen ontwerpen met een nieuwe functie, bijvoorbeeld voor geneesmiddelproductie. Dat gaat geheid mooie dingen opleveren.’

140

NN_Publieksboek_v6 28-09-11 12:17 Pagina 141

6. Hoe nu verder?

Sensor voor antrax NanoNedonderzoekers hebben een sensor ontwikkeld die antraxsporen kan detecteren. Deze sensor is gevoeliger en efficiënter dan bestaande detectiemethoden. Antrax, bekend van de poederbrieven, is een potentieel dodelijke infectieziekte die wordt veroorzaakt door de bacterie Bacillus anthracis. Deze bacterie vormt sporen – een soort gedroogde bacteriën met een harde wand – die lang kunnen overleven in de buitenlucht. De onderzoekers hebben nu een sensor ontwikkeld waarmee ze een biomarker van deze antraxsporen kunnen detecteren. De sensor maakt het mogelijk om de sporen aan te tonen bij een concentratie die duizend keer lager is dan de gevaarlijke dosis. Vijf tot vijftien procent van de droge massa van de sporen bestaat uit het zuur DPA (dipolinic acid). Net als andere detectiemethoden voor antraxsporen meet de nieuwe sensor de aanwezigheid van dit zuur. De ontwikkelde sensor

De sensor kan sporen aantonen bij een concentratie duizend keer lager dan de gevaarlijke dosis.

bestaat uit een glasplaatje waarop receptoren die gevoelig zijn voor DPA zijn bevestigd. Als deze receptoren in contact komen met antraxsporen, zal het DPA er aan binden. Met behulp van fluorescentiespectroscopie is het vervolgens mogelijk om de concentratie van de antraxsporen te bepalen. Dit gebeurt door ultraviolet licht op de sensor te schijnen. Receptoren waaraan DPA gebonden is zullen dit licht absorberen en blauw licht uitzenden. Receptoren waaraan geen DPA is gebonden zenden rood licht uit. Door de verhouding tussen rood en blauw licht te meten, is te bepalen hoe groot de concentratie antraxsporen in een monster is. Voordeel van de sensor is dat hij niet geijkt hoeft te worden en dat hij gevoeliger is dan bestaande methoden.

Door ultraviolet licht op de sensor te schijnen, verraadt gebonden anthrax zich in blauwe kleuren.

141

NN_Publieksboek_v6 28-09-11 12:17 Pagina 142

6. Hoe nu verder?

‘Op het gebied van sensoren en detectoren worden de vragen steeds meer ontwikkeltechnisch van aard, en minder fundamenteel. Er zijn al zoveel systemen ontworpen om dingen te herkennen, zoals complexen van verschillende moleculen en dergelijke. Nu is het de vraag hoe je zorgt dat zoiets snel, accuraat detecteert en informatie verzamelt, en op welke schaal zo’n systeem dat moet kunnen.’

6.2.9 Van individuele moleculen naar functionele microkanalen Flagshipcaptain Han Zuilhof van Chemistry and Physics of Individual Molecules: ‘De grote vragen voor de toekomst liggen wat mij betreft op twee vlakken. Het eerste is de biologische kant van nanotechnologie. We hebben de nanochemie ontwikkeld om functionele oppervlakken te maken, daar zijn geen grote sprongen meer te verwachten. Maar met die functionele oppervlakken hebben we wel de mogelijkheid gecreëerd om biologische vraagstukken meer multidiciplinair aan te pakken. Het tweede vlak betreft het gebied van de vloeistofchemie en de microkanaalchemie. Daar verwacht ik de komende jaren

'Nederland kan hier zeker voorop blijven lopen.'

veel ontdekkingen. Als je vloeistoffen in hele kleine kanaaltjes gaat persen, heb je te maken met een relatief groot

oppervlak ten opzichte van het bulkvolume. In de afgelopen tien jaar hebben we geleerd hoe we zoiets moeten beheersen en sturen. Nu moeten we daarmee gaan scoren. De productie van dat soort microkanalen moeten we gaan opschalen, en dat op een betaalbare manier. Ik zie daarvoor uitgelezen kansen voor een voortgaande samenwerking tussen diverse academische groepen met een heel scala aan MKB, zoals Future Chemistry, Lionix, MicroNit, Chemtrix, Flowid en SurfiX. Binnen NanoNed is hiervoor een basis gelegd, en dat wordt bijvoorbeeld via NanoNextNL en andere publiek-private samenwerkingen verder uitgebouwd: Nederland kan hier zeker voorop blijven lopen!’

6.2.10 Diagnostiek met een mobieltje Nanofluidics flagshipcaptain Albert van den Berg: ‘De toepassingen van onze kennis liggen vooral in de sfeer van medische diagnostiek. Daar heb ik voor de nabije toekomst ook de meest verwachtingen van. Je spreekt dan

142

NN_Publieksboek_v6 28-09-11 12:17 Pagina 143

6. Hoe nu verder?

over een markt van ruim tien miljard euro, dat is nogal een potentieel. Wat de diagnostiek betreft, moet het vooral nog makkelijker, goedkoper en sneller kunnen, en moet je thuis kunnen testen. Zo kijken we bijvoorbeeld naar toepassingen in Afrika. Daar is weinig geld en infrastructuur, maar hebben wel veel mensen een mobiele telefoon. Kunnen we een zodanige diagnostische technologie ontwerpen dat we de rekenkracht, de elektriciteit en de communicatiemogelijkheden van zo’n gsm gebruiken?’ Er wordt gewerkt aan de ontwikkeling van een nanopil, waarmee darmkanker in een vroeg stadium kan worden opgespoord.

‘Een andere toepassingsmogelijkheid is het testen van de giftigheid van medicijnen. Daarvoor worden nog vaak proefdieren gebruikt, maar het zou mooi zijn als we dat gewoon op een chip met wat weefselcellen kunnen doen.’ ‘We hebben veel geleerd, maar er zijn nog genoeg grote vragen. Hoe kun je zo simpel mogelijk een individueel molecuul of eiwit selectief uit een vloeistof vissen? Hoe werkt de interactie van het oppervlak van een kanaaltje met de vloeistof? Hoe kleiner je het volume maakt, hoe groter in verhouding de invloed van het oppervlak wordt. Kunnen we bijvoorbeeld een oppervlak maken dat zo hydrofoob is dat je er water wrijvingsloos doorheen kunt sturen? Kun je zo energie halen uit water? We gaan bijvoorbeeld proberen een batterij te maken die loopt op water in nanohoeveelheden.’ ‘Er is nog heel veel potentie te exploreren: het detecteren van cellen uit bloed zonder dat je dat dagen op kweek moet zetten in een ziekenhuis, handig voor kankeronderzoek en dergelijke. Cellen in vloeistofkanalen manipuleren, voor tissue engineering doeleinden. Een bloedhersenbarrière op een chip maken om medicijnen te testen, of bijvoorbeeld de schadelijkheid van nanodeeltjes...’

143

NN_Publieksboek_v6 28-09-11 12:17 Pagina 144

6. Hoe nu verder?

Een kompasnaald voor licht Een team van wetenschappers van het FOM-Instituut AMOLF in Amsterdam, onder wie NanoNedpromovendus Matteo Burresi, heeft in samenwerking met LioniX BV een sensor ontwikkeld die het magneetveld van licht zichtbaar kan maken. Dit magneetveld is zelf erg moeilijk te detecteren omdat het nauwelijks interactie heeft met materie. De nu ontwikkelde sensor zet het magneetveld eerst om in een elektrische trilling, die vervolgens kan worden gemeten met een fotodiode. Deze doorbraak is van groot belang voor het onderzoek naar nieuwe nanostructuren waarmee zogenaamde onzichtbaarheidsmantels kunnen worden gemaakt. Deze mantels, die zelf onzichtbaar zijn, maken een voorwerp waar ze omheen worden geplaatst ook onzichtbaar. Licht is een elektromagnetische golf, waarin een elektrisch veld en een magneetveld met een gigantisch hoge frequentie trillen (ongeveer driehonderd biljoen keer per seconde). Bij deze hoge frequentie merken we eigenlijk alleen nog het elektrische veld; het magneetveld heeft een volstrekt verwaarloosbare wisselwerking met in de natuur voorkomende materialen. Als we licht zien, 'zien' we het elektrische veld; we zijn blind voor het magneetveld. Als er geen wisselwerking is tussen materie en magneetvelden met zulke hoge frequenties, lijkt het onmogelijk om het magneetveld van het licht te bestuderen. De sensor die het Amsterdamse team ontwikkelde, is gebaseerd op een principe dat de Duitse natuurkundige Heinrich Hertz meer dan 120 jaar geleden voor het eerst demonstreerde. Als een metalen ring in een wisselend magneetveld wordt geplaatst, zal er een wisselende stroom door de metalen ring gaan lopen. Door in de ring een kleine spleet te maken, waardoor de stroom niet volledig om de ring kon lopen, kon Hertz de aanwezigheid van het wisselende magneetveld in radiogolven waarnemen als kleine vonkjes die over deze spleet sprongen. De Amsterdamse sensor werkt precies hetzelfde, maar omdat de golflengte van licht veel kleiner is dan die van radiogolven, is ook de sensor veel kleiner (duizend maal dunner dan een menselijke haar). De onderzoekers hebben nu een kompasnaald in handen om het magneetveld van het licht te bestuderen met een resolutie die beter is dan de golflengte van het licht.

Een optische nanoprobe wordt over een fotonische nanostructuur gescand. De veertig nanometer (0,00004 millimeter) brede spleet in de zijkant van de naald maakt het mogelijk het magneetveld van licht waar te nemen.

144

NN_Publieksboek_v6 28-09-11 12:17 Pagina 145

6. Hoe nu verder?

Er wordt gezocht naar manieren om spintronica te integreren in organische LEDs, die roll-to-roll worden geprint.

6.2.11 Spinnend plastic Flagshipcaptain Bert Koopmans van NanoSpintronics: ‘Ik verwacht veel van het racetrack memory, waarin de informatie in de vorm van een spinstroom langs de leeskoppen loopt. Maar voordat we dat in de schappen hebben, zijn er nog veel stappen te zetten. We moeten daarvoor nog een hoop fundamentele vragen beantwoorden.’ ‘Op dit moment zijn er diverse nieuwe aanvliegroutes in de spintronica. Zo speelt de ontwikkeling van nieuwe materialen, waar ook weer nieuwe processen in spelen. Organische

'De vraag is of we magnetische eigenschappen kunnen toevoegen aan bestaande plastic elektronica.’

spintronica bijvoorbeeld is sterk in opkomst. De vraag is nu of we magnetische eigenschappen kunnen toevoegen aan bestaande

plastic elektronica. Op dit moment worden er bijvoorbeeld al via roll-toroll printing organische LEDs geproduceerd. We zoeken nu naar een

145

NN_Publieksboek_v6 28-09-11 12:17 Pagina 146

6. Hoe nu verder?

oplossing om extra spintronische functionaliteit aan die OLEDs toe te voegen zonder al te ingrijpende aanpassingen van het productieproces. Dat zijn uitdagende vragen waar we nog wel even mee vooruit kunnen.’

6.2.12 Patenten, regelgeving en trends Arie Rip, flagshipcaptain van het Technology Assessment deelprogramma, sluit de toekomstvisoenen af: ‘In het vervolgprogramma NanoNextNL is weer een Technology Assesment opgenomen. Daarin hebben we drie deelprogramma’s opgesteld. In het eerste bouwen we voort op wat het TA flagship bereikt heeft. We gaan de scenario’s die we hebben gemaakt verder uitbouwen met risico-analyses en impactmetingen. Daarnaast gaan we monitoren hoe multilevel interventies uitpakken. Ook kijken we naar de ethiek, juridische aspecten en governance problematiek bij nanotechnologie. Een van de problemen binnen governance is bijvoorbeeld het patentrecht. Patentrecht is niet bedoeld om te sturen, maar doet dat op het terrein van nanotechnologie onbedoeld toch. Binnen de nanotechnologie is het nu nog mogelijk om hele brede patenten in te dienen, zodat mensen meer macht krijgen dan waar zo’n patent eigenlijk voor bedoeld is.’ ‘Uitdagingen op ons terrein liggen verder in de maatschappelijke ontwikkelingen rondom nanotechnologie. Regeringen voelen zich bijvoorbeeld gedwongen om etikettering van nanobevattende producten te regelen. Als dat tot terughoudendheid bij de consument zou leiden, zou het bedrijfsleven uit nano-inside produkten kunnen stappen.’ Het blijft even stil. Dan: ‘Je moet het allemaal wel in perspectief zien. Het zal niet misgaan met nanotechnologie, maar als overkoepelend toverwoord wordt het steeds minder belangrijk. Het gaat om de concrete toepassingsgebieden en aanpakken, of ze nu nano in hun naam hebben of niet. Het begin is nu dat er in het meervoud gesproken wordt, over nanotechnologieën. Je ziet ook verwijzing naar green nanotech, wat zou kunnen leiden tot opgaan van de betrokken nanotechnologieën in duurzame technologie.’ Hij sluit lachend af: ‘Als het toverwoord nanotechnologie zou verdwijnen, dan moet NanoNextNL ook naar een andere naam omkijken ...’

146

NN_Publieksboek_v6 28-09-11 12:17 Pagina 147

6. Hoe nu verder?

Door onderzoek kwamen nieuwe werelden binnen bereik, op de kleinst mogelijke schaal.

6.3 Tot slot Zes jaar met vereende krachten werken aan een onzichtbaar kleine wereld, heeft ontelbare zichtbare resultaten opgeleverd. Sensoren, lichtbronnen, onderstellen en meetnaaldjes voor geavanceerde microscopen, medische testen, snellere en kleinere computergeheugens... Zeer zelden waren dit de uitkomsten die men zes jaar geleden had voorspeld. Doorbraken in de fundamentele biologie, natuurkunde, scheikunde, materiaalkunde en elektronica zorgden voor verschuivingen in de onderzoeksfocus. Nieuwe technologieën maakten voorheen ondenkbare grote sprongen mogelijk. Samenwerking met andere onderzoeksgroepen leverden vruchtbare ideeën op. En onderzoek naar de fundamenten van de natuur rekte op alle fronten de grenzen op, waardoor nieuwe werelden binnen bereik kwamen. In de wetenschap is – getuige de veelal onverwachte resultaten van NanoNed – de toekomst onvoorspelbaar. Nanowetenschap zal hoogstwaarschijnlijk in een breed gebied mogelijkheden bieden voor het dagelijks leven, op het terrein van materialen, voedsel, gezondheid… ‘Nanotechnologen maken als het ware van fiction science,’ vat WENA flagshipcaptain Theo Rasing (Radboud Universiteit Nijmegen) zijn werkterrein samen. En zo is het maar net.

147

NN_Publieksboek_v6 28-09-11 12:17 Pagina 148

Bijlagen

148

NN_Publieksboek_v6 28-09-11 12:17 Pagina 149

Bijlagen

bijlagen

149

NN_Publieksboek_v7 28-09-11 21:59 Pagina 150

Mensen in NanoNed

2005 Bestuur Prof. David Reinhoudt, Universiteit Twente (Voorzitter) Prof. George Robillard, BioMade (Vice-voorzitter) Dr. Henk van Houten, Philips Dr. Jos Put, DSM Prof. Huub Salemink, Technische Universiteit Delft

Bestuursraad Prof. David Reinhoudt, Universiteit Twente (Voorzitter) Prof. George Robillard, BioMade (Vice-voorzitter) Dr. Henk van Houten, Philips Prof. Fred van Keulen, MicroNed Prof. Bert Koopmans, Technische Universiteit Eindhoven Dr. Wart Mandersloot, TNO Dr. Jos Put, DSM Prof. Theo Rasing, Radboud Universiteit Nijmegen Prof. Huub Salemink, Technische Universiteit Delft Prof. Ernst Sudhölter, Wageningen Universiteit en Researchcentrum Dr. Rob Zsom, Universiteit van Amsterdam

Industriële Adviesraad Dr. Frank de Jong, FEI Company (Voorzitter) Dr. Gustaaf Borghs, IMEC

150

NN_Publieksboek_v7 28-09-11 21:59 Pagina 151

Mensen in NanoNed

Dr. Job Elders, C2V Dr. Gertjan Jongerden, Akzo Nobel Research Dr. Tjeerd Jongsma, Friesland Foods Ir. Wybren Jouwsma, Bronkhorst High-Tech B.V. Prof. Chris Kruse, Solvay Pharmaceuticals Dr. Herman Kuipers, Shell Global Solutions Dr. Ton Loontjens, DSM Research Prof. Karel van der Mast, ASML Netherlands B.V. Dr. Loek Nijman, Philips Research Dr. Eddie Pelan, Unilever Research Prof. Marc van Rossum, IMEC

Stuurgroep NanoLabNL Dr. Emile van der Drift, Technische Universiteit Delft (Voorzitter) Dr. Siemon Bakker, RU Groningen Ir. Frank Dirne, Philips - MiPlaza (gast) Dr. Wart Mandersloot, TNO Industrie en Techniek Dr. Diederik Rep, Technische Universiteit Delft (secretaris) Dr. Gerard Roelofs, Universiteit Twente

2010 Bestuur Prof. David Reinhoudt, Universiteit Twente (Voorzitter) Prof. Huub Salemink, Technische Universiteit Delft (Vice-voorzitter) Prof. Dave Blank, Universiteit Twente Prof. Reinder Coehoorn, Philips Dr. LĂŠon Gielgens, NanoNed bureau (secretaris) Prof. Jasper Knoester, Rijksuniversiteit Groningen Dr. Jos Put, DSM

Bestuursraad Prof. David Reinhoudt, Universiteit Twente (Voorzitter) Prof. Huub Salemink, Technische Universiteit Delft (Vice-voorzitter) Prof. Dave Blank, Universiteit Twente

151

NN_Publieksboek_v7 28-09-11 21:59 Pagina 152

Mensen in NanoNed

Prof. Reinder Coehoorn, Philips Ir. B. Dunnebier, TNO Industrie en Techniek Prof. Fred van Keulen, MicroNed Prof. Jasper Knoester, Rijksuniversiteit Groningen Prof. Bert Koopmans, Technische Universiteit Eindhoven Dr. Jos Put, DSM Prof. Theo Rasing, Radboud Universiteit Nijmegen Dr. Rob Zsom, Universiteit van Amsterdam Prof. Han Zuilhof, Wageningen Universiteit en Researchcentrum

Industriele Adviesraad Dr. Frank de Jong, FEI Company (Voorzitter) Prof. Staf Borghs, IMEC Dr. Job Elders, C2V Dr. LĂŠon Gielgens, NanoNed bureau (secretaris) Dr. Gert-Jan Jongerden, NUON/Helianthos B.V. Dr. Tjeerd Jongsma, Friesland Foods Ir. Wybren Jouwsma, Bronkhorst High-Tech B.V. Dr. Herman Kuipers, Shell Global Solutions Dr. Ton Loontjens, DSM Research Prof. Karel van der Mast, ASML Netherlands B.V. Dr. Eddie Pelan, Unilever Research Prof. Marc van Rossum, IMEC Dr. Jelto Smits, Philips Research Dr. Bart van Steen, Solvay Pharmaceuticals B.V.

Stuurgroep NanoLabNL Dr. Emile van der Drift, Technische Universiteit Delft (Voorzitter) Dr. Siemon Bakker, Rijksuniversiteit Groningen Simone Bots, Technische Universiteit Delft (secretaris) Ir. Frank Dirne, Philips - MiPlaza (gast) Ir. Michael Engelmann, TNO Science & Industry Ir. Miriam Luizink, Universiteit Twente Dr. Gerard Roelofs, Universiteit Twente

152

NN_Publieksboek_v6 28-09-11 12:17 Pagina 153

Mensen in NanoNed

153

NN_Publieksboek_v6 28-09-11 12:17 Pagina 154

Verklarende woordenlijst

AFM (Atomic Force Microscope) Atoomkrachtmicroscoop. Mechanische microscoop die met een zeer fijne naald (de AFM-tip) een oppervlak aftast. Door de krachten te meten die oneffenheden in het oppervlak uitoefenen op de naald, wordt de structuur van dat oppervlak in kaart gebracht.

anorganisch Anorganische moleculen bevatten relatief weinig of geen koolstofkoolstofbindingen en worden meestal niet in plant of dier gesynthetiseerd.

bottom-up Benadering die kleine elementen samenvoegt tot grotere gehelen. In nanotechnologie: het bouwen van grotere structuren met atomen en moleculen als bouwstenen.

c e

coherentie Status waarin de informatie in een quantumsysteem blijft bestaan.

e-beam Electron beam, straal van elektronen die bijvoorbeeld kan worden gebruikt om patronen in een substraat te schrijven.

ĂŠĂŠnkristal Kristal waarvan de bouwstenen (atomen, ionen of moleculen) een enkel overal identiek kristalrooster vormen.

154

NN_Publieksboek_v6 28-09-11 12:17 Pagina 155

Verklarende woordenlijst

etsen Gecontroleerd aantasten van voorbewerkte vlakken door zuren of andere agressieve stoffen, waarbij de verschillende structuurbestanddelen zichtbaar worden als gevolg van verschillende wijzen van aantasting. In het chipfabricageproces: fase waarin de wafer in hete zuurbaden wordt gedompeld om ongewenste delen van de > resist te verwijderen.

ferromagnetisch Materiaal dat in de buurt van een extern magneetveld, zelf magnetisch wordt. Pas als het materiaal tot boven de zogeheten Curietemperatuur wordt verhit, raakt het zijn magnetisatie weer kwijt. Voorbeelden zijn ijzer, kobalt en nikkel.

FET (Field Effect Transistor) Een veldeffecttransistor bevat meestal drie aansluitingen: de source, de drain en de gate. De > transistor bestaat uit een geleidingskanaal tussen de aansluitingen source en drain, waarvan de geleiding be誰nvloed kan worden door het elektrische veld van de spanning op de gate.

Flagship Op onderzoeksonderwerp gegroepeerde organisatorische eenheid binnen het NanoNedprogramma.

flux qubit Rekeneenheid van een quantum computer, bestaande uit een supergeleidende ring waarin elektronen tegelijk linksom en rechtsom kunnen lopen.

foton Lichtdeeltje.

fotonica Wetenschap die zich bezighoudt met de wisselwerking tussen licht (> fotonen) en elektronen.

fotonisch kristal Kristallijne vaste stof die bepaalde lichtfrequenties niet toelaat. Fotonische kristallen kunnen worden gebruikt om optische golfgeleiders te vervaardigen of om licht op te sluiten op een nauwkeurig bekende plaats.

155

NN_Publieksboek_v6 28-09-11 12:17 Pagina 156

Verklarende woordenlijst

functionaliseren (van tip of probe) Toevoegen van een chemische stof aan een meetnaald van bijvoorbeeld een AFM of STM om specifieke metingen te kunnen doen.

GMR (Giant Magneto Resistance) Reuzenmagnetoweerstand. Het effect dat zeer zwakke magnetische veranderingen leiden tot grote verschillen in elektrische weerstand in magnetische nanomaterialen.

grafeen Materiaal dat bestaat uit een enkele laag koolstofatomen, gerangschikt in een kippengaasrooster.

halfgeleider Materiaal dat lijkt op een elektrisch isolerend materiaal, maar dat door toevoeging van energie in de vorm van licht, warmte of elektrische spanning wel tot geleiding van elektrische stroom te brengen is.

HIM, Helium Ionen Microscoop Microscoop die gebruik maakt van een straal heliumionen om afbeeldingen te maken of patronen te schrijven.

ionbeam Straal van ionen die gebruikt wordt om afbeeldingen te maken of patronen te schrijven.

isolator Materiaal dat elektrische stroom niet kan geleiden.

lab-on-a-chip Apparaatje dat verschillende laboratoriumfuncties samenbrengt op een chip ter grootte van enkele milimeters tot enkele centimeters.

LED (Light-Emitting Diode) Licht emitterende diode. Halfgeleidercomponent die licht uitzendt als er een elektrische stroom in de doorlaatrichting doorheen wordt gestuurd.

156

NN_Publieksboek_v6 28-09-11 12:17 Pagina 157

Verklarende woordenlijst

lithografie Proces om een chip te maken. Een plaatje silicium (een wafer) wordt bedekt met een laagje licht- of stralingsgevoelige lak (resist). Vervolgens wordt deze resist belicht met een bepaald patroon. Belichting kan gebeuren met een laser, met een elektronenbundel of met een ionenbundel. De bundel draagt het patroon over op de laklaag. Daarna wordt de laklaag ontwikkeld, en blijft het patroon over.

MEMS (Microelectromechanical systems) Micro-elektromechanische systemen bestaan uit een combinatie van elektronische, mechanische en eventueel chemische componenten. Ze variĂŤren in grootte van een micrometer tot enkele millimeters.

moleculaire transistor Molecuul met de eigenschappen van een transistor.

MRAM (Magnetic Random Access Memory) Opslagmedium dat werkt op basis van het reuzenmagnetoweerstandseffect.

nanodraad Draad waarvan de diameter enkele nanometers bedraagt.

NanoNextNL Selectief vervolg op NanoNed met een totale omvang van 250 miljoen euro. Hiervan wordt 125 miljoen euro bijgedragen door het samenwerkingsverband van meer dan honderd bedrijven, universiteiten, kennisinstituten en universitaire medische centra. De overige 125 miljoen euro komt uit het FES-fonds van de overheid (2009).

NEMS (Nanoelectromechanical systems) Nanoelektromechanische systemen combineren elektrische en mechanische functies op een schaal van enkele nanometers.

OLED (Organic Light-Emitting Diode) > LED, bestaande uit > organisch materiaal.

157

NN_Publieksboek_v6 28-09-11 12:17 Pagina 158

Verklarende woordenlijst

organisch Organische moleculen zijn verbindingen die door chemische reacties in de levende natuur ontstaan of die daaraan verwant zijn. Organische moleculen bevatten koolstofatomen in ketens of ringen, waaraan andere atomen als waterstof, stikstof, zuurstof, fosfor of zwavel zijn gebonden.

piëzo-element Element dat gebruik maakt van het piëzo-elektrisch effect. Dit is het verschijnsel dat kristallen van bepaalde materialen onder invloed van druk een elektrische spanning produceren of andersom: vervormen als er een elektrische spanning op wordt aangelegd.

piëzoMEMs > MEMS die gebruik maken van het piëzo-elektrisch effect, zie piëzoelement

quantum computation Nieuwe manier van rekenen die gebruik maakt van quantummechanische verschijnselen zoals > superpositie en > verstrengeling.

quantum dot Halfgeleidermateriaal waarin de ladingsdragers in drie dimensies zijn opgesloten. De afmetingen van het puntje materiaal zijn zo klein dat er quantummechanische effecten optreden.

r s

resist Licht- of stralingsgevoelige lak.

sample Proefstuk. Bijvoorbeeld een materiaal dat men wil bestuderen met een > AFM.

SNOM (Scanning Near Field Optical Microscope) Optische microscoop waarin de detector op een zeer kleine afstand (kleiner dan de golflengte van het gebruikte licht) van het te onderzoeken > sample afstaat, waardoor resoluties van enkele nanometers kunnen worden behaald.

158

NN_Publieksboek_v6 28-09-11 12:17 Pagina 159

Verklarende woordenlijst

spin Ronddraaiende beweging van een deeltje om zijn as. In deze publicatie: ronddraaiende beweging van een elektron om zijn as.

spin torque Effect waarbij een stroom elektronen met gelijkgerichte spins een magneetveld veroorzaakt in een geleidend materiaal.

spintronica Wetenschap die zich bezighoudt met het gebruik van de spin van het elektron en het daarmee samengaande magnetisch moment.

SPM (Scanning Probe Microscope) Orde van microscopen die een meetprobe over een oppervlak heen laten lopen om het in beeld te brengen. Voorbeelden zijn de > AFM, > SNOM en > STM.

stage Onderstel, of tableau, in een chipmachine waar tijdens de belichting de wafer (plak silicium) op ligt.

STM (Scanning Tunneling Microscope) Rastertunnelmicroscoop. Mechanische microscoop die met een zeer fijne naald (de STM-tip) een oppervlak aftast. Door de elektrische krachten te meten tussen de tip en het oppervlak, wordt de structuur van dat oppervlak in kaart gebracht.

superpositie Superpositie van een deeltje betekent dat bijvoorbeeld de spin hiervan alle mogelijke waarden tegelijkertijd kan aannemen.

tip Naald van een atomaire microscoop, zoals een > AFM of een > STM.

TMR (Tunnel Magneto Resistance) Tunnelmagnetoweerstand. Effect dat optreedt in twee > ferromagneten die zijn gescheiden door een dunne > isolator. Als de isolator dun genoeg is, kunnen de elektronen via een quantummechanisch proces dat tunneling heet toch heen en weer reizen tussen beide ferromagneten.

159

NN_Publieksboek_v6 28-09-11 12:17 Pagina 160

Verklarende woordenlijst

top-down Benadering die grotere elementen uiteenrafelt in kleinere bouwstenen. In de nanotechnologie: het maken van structuren met steeds kleinere afmetingen, door ze te etsen, snijden of vormen uit materialen met grotere afmetingen.

transistor Apparaat dat bestaat uit een halfgeleider die zwakke elektrische signalen versterkt of schakelt.

tunnelstroom Elektrische stroom die ontstaat als elektronen bijvoorbeeld in een > TMRcomponent door een > isolerend laagje heen tunnelen.

verstrengeling Verstrengeling van twee bij elkaar horende elementair deeltjes betekent dat er een mysterieuze verbinding bestaat tussen deze twee deeltjes die schijnbaar onafhankelijk is van de onderlinge afstand. Als de toestand van een deeltje gemeten wordt, weet men ook onmiddellijk wat de toestand van het andere deeltje is, hoe ver zij ook van elkaar verwijderd zijn.

zelfassemblage Spontane ordening van losse componenten in een patroon als gevolg van specifieke, lokale interacties tussen de componenten zelf.

160

NN_Publieksboek_v6 28-09-11 12:17 Pagina 161

Verklarende woordenlijst

161

NN_Publieksboek_v6 28-09-11 12:17 Pagina 162

Illustratieverantwoording

Illustratieverantwoording Het merendeel van de illustraties in dit boek is gemaakt of beschikbaar gesteld door NanoNedonderzoekers. Voor de overige illustraties berusten de beeldrechten bij de genoemde personen en organisaties.

Inleiding Limin Tong/Harvard University (p. 6), Nicole Papen-Botterhuis (p. 7)

Hoofdstuk 1. In den beginneâ&#x20AC;Ś Tom Harvey (p. 10); Christopher Sykes (p. 12); Wikipedia (p. 12); Sony (p. 15); Philips Research (p. 16); Boudewijn Payens (p. 18); FEI Company (p. 19); Boudewijn Payens (p. 21, 23); IBM Corporation (p. 25); ASML (26); Boudewijn Payens (p. 28); National Astronomical Observatory of Japan (p. 29); TU Denemarken (p. 31).

Hoofdstuk 2. Vlaggenschepen in de nanowereld NynkeDekkerlab TU Delft/Tremani (p. 32); Boudewijn Payens (p. 34); AMOLF/Tremani (p. 35); NynkeDekkerlab TU Delft/Tremani (p. 37); Boudewijn Payens (p. 40, 41); Boudewijn Payens (p. 43, 44, 45);

Hoofdstuk 3. Kennis van het kleine Jeroen Huijben (p. 49, 52); ASML (p. 53); TNO (p. 55); Philips Research (p. 58, 59); IBM Research (p. 67); Radboud Universitair Medisch Centrum (p. 69); Shutterstock (p. 70); Martin Jurna (p. 76); AMOLF/Tremani (p. 77); Shutterstock (p. 80, 82); NynkerDekkerlab TU Delft/Tremani (p. 83); Shutterstock (p. 84); ASML (p. 87, bovenaan); Stock.XCHNG (p. 89); Frans Snik (p. 89); Skiff.com (p. 90);

Hoofdstuk 4. Rendement ASML (p. 98); Adrian Staicu (p. 101); Bram Saeys (p. 102, 103); Boudewijn Payens (p. 104); Shutterstock (p. 105); Bram Saeys (p. 107); Boudewijn Payens (p. 109); Bram Saeys (p. 113)

Hoofdstuk 5. Midden in het leven Shutterstock (p. 114); Coolpolitics (p. 118, beide fotoâ&#x20AC;&#x2122;s); Eric Brinkhorst (p. 121); Shutterstock (p. 123)

Hoofdstuk 6. Hoe nu verder? Shutterstock (p. 124), Boudewijn Payens (p. 127), Boudewijn Payens (p.130), SolMateS (p. 131), Shutterstock (p. 133), Maike Windbergs en Martin Jurna (p. 135), Wikipedia (p. 138), Eric Brinkhorst (p. 139), FOM/Tremani (p. 140), Kobus Kuipers & Tremani (p. 144), polyIC (p. 145), Shutterstock (p. 146), Willem van Dorp (p. 147)

162

Nanotechnologie van fiction naar science

Blader door dit boekje en lees over tegenslagen, meevallers en

Dwerglandschap

NanoNed was een grootschalig Nederlands onderzoeksprogramma op

Dwerglandschap

Sonja Knols-Jacobs

Nanotechnologie van fiction naar science Sonja Knols-Jacobs