Dwerglandschap - Nanotechnologie van fiction naar science

DwerglandschapNanotechnologie vanfiction naar science

Sonja Knols-Jacobs

NanoNed was een grootschalig Nederlands onderzoeksprogramma op

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 financiële duw in de rug?

Blader door dit boekje en lees over tegenslagen, meevallers en

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 patiënten,

efficiëntere zonnecellen, en nieuwe materialen met onvermoede

eigenschappen. Kortom: over hoe ooit futuristische dromen in zes jaar

tijd door uitmuntend wetenschappelijk onderzoek werkelijkheid

werden.

Dwerglan

dschap

Nanotechnologie van fiction naar science Sonja K

nols-Jacobs


Sonja Knols-Jacobs

NN_Publieksboek_v6 28-09-11 12:13 Pagina 3

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, Ingenieu∑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 geïnterviewden voor hun

enthousiaste medewerking.

september 2011

www.nanoned.nl

4

Colofon


InleidingEen sensor voor anthrax. Een test die binnen een dag uitsluitsel geeft of

iemand een SOA heeft of niet. Een thuistest voor manisch-depressieve

patiënten 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 bacteriën, 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.

NanotechnologieNano 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

5

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.

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.

6

Inleiding

Nanotechnologiewerkt met struc -turen die tachtig -duizend keerkleiner zijn dan dediameter van eenmenselijke haar.Op deze foto isnanodraad te zienwaarin een licht -straal om eenmenselijke haarheendraait.


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

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 krachtmicro -

scoop. De nanofysische

effecten en de

gevoeligheid van je

meetinstrument zijn

soortgelijk.'

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

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


Inleiding 4

Hoofdstuk 1. 11

In den beginne...1.1 Geschiedenis van nanotechnologie 12

1.2 Geboorte van een nationaal samenwerkingsverband 15

1.3 Keuzes voor maatschappelijke impact en faciliteiten 20

1.4 Organisatie en bestuursstructuur 24

1.5 Terug naar 2003 25

Hoofdstuk 2. 33

Vlaggenschepen in de nanowereld2.1 Organisatie 34

2.2 Flagships 36

2.3 Infrastructuur 44

2.4 Technology Assessment 45

Hoofdstuk 3. 47

Kennis van het kleine3.1 Maken 49

3.1.1 Materialen 49

3.1.2 Instrumenten 53

3.1.3 Fabricage 58

3.1.4 Bouwen met atomen en moleculen 63

3.2 Meten en karakteriseren 67

3.3 Begrijpen 71

3.3.1 Rekenen met quantummechanica 71

3.3.2 Licht in gaatjes persen 76

3.3.3 Leven op nanoschaal 79

3.3.4 Individuele moleculen 82

3.4 Manipuleren 84

3.4.1 Onzichtbaar weinig vloeistof 84

3.4.2 Spintronica 88

3.5 Technology Assessment 93

8

Inhoud


Hoofdstuk 4. 99

Rendement4.1 Neus voor toepassing 100

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 leven5.1 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 138

6.2.7 Brandstof uit zonlicht, onverwoestbare

lampen en computers op licht 139

6.2.8 Grote vragen uit biologie 140

6.2.9 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

6.3 Tot slot 147

Mensen in NanoNed 150

Verklarende woordenlijst 154

Illustratieverantwoording 162

9

Inhoud


Richard Feynman, grondlegger van nanotechnologie

10


In den beginne…

11

11. 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 rastertunnel microscoop

(Scanning Tunneling Microscope, STM) in 1981 door

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 overzichts -

artikel 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.’

12

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

Volgens de over -levering stondnatuurkundigeRichard Feynmanaan de wieg vande nanotech -nologie.

1. In den beginne


Floppy en HD-televisieToen 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

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 HD-

televisie, 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

de laatste plaats door het groot -

schalige nationale onderzoeks -

programma 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

13

Floppy disksIn het begin vandit milleniumwaren USB-sticks,flashkaarten ensmartphones nogletterlijk onvoor -stel baar. Mendroomde wel vangrotere opslag -capaciteit, maardan op oude r -wetse floppy disks.

Nanotechnologie dringt op alle fronten het dagelijks leven binnen.

1. In den beginne


14

STT-rapport: ‘time to market’enabling product area product example time to market

technology (years)

lithography electronics chips with 25 million 5

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 5-10

optoelectronics high-definition 10-20

television screens

military fast-burning powders 5-10

molecular medical biochip arrays 0

nanotechnology drug carrying liposomes 10-20

biomolecular sensors 10-20

electronics smart cards 5-10

flat panel displays 5-15

biomolecular processing chips 20-30

materials fullerenes 0

catalysts dendrimers 5-15

energy molecular solar cells 5-15

molecular machines molecular assemblers 20-30

scanning probes nano-microscopes tunneling, force and near-field 0

electronics 20-gigabyte memory 1-10

on a 3.5-inch floppy

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

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 vaste-

stoftechnologie en biotechnologie zullen worden overtroffen. De toenemende

beheersing over de rangschikking van

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 Investe ringen Kennisinfrastructuur, voorheen ICES-

KIS), 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 Rijksuni -

versiteit 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.’

David Reinhoudt, voorman van het eerste uur, zegt over die

beginperiode: ‘Internationaal was de opkomst van de nano -

15

De Sony walkman was eind vorige eeuween hippe gadget.

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

1. In den beginne


16

Besturen met de voeten in de kleiReinder 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

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.'

'NanoNed bracht specialisten onder één nationaal dak.'

1. In den beginne


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 nanotechno -

logie en nanowetenschap in Nederland. Er lag al een stuk van Hans Mooij

en David Reinhoudt. Hun

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

17

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.'

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

1. In den beginne

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


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 aandachts -

gebieden, flagships genaamd. Om tot de uiteindelijke elf onderzoeks gerichte

flagships te komen, dienden alle partners voorstellen in. Dit leidde tot

vierhonderd projectvoorstellen

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

18

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

1. In den beginne


19

Ondernemend klimaat scheppenOm 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

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 onderzoeks -

vragen aandragen op terreinen die voor het bedrijf op de lange termijn interessant zijn.'

‘Er moest een cultuur ontstaan waarinpromovendi en stafleden actief bezigwaren met de mogelijke economische

gevolgen van hun onderzoek.’

1. In den beginne


als voorschot het NanoImpulsprogramma toekende. De meest uitgekristalli -

seerde 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, instrumen -

tatie en spintronica. Robillard: ‘NanoImpuls was in wezen een apart onder -

deel 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 nanotechnologie -

programma inbouwen. Dat was

overigens een visionaire stap, die

geheel tegen de heersende praktijk

in Nederland inging. Doel van dit

Technology Assessment kon zijn

het overbruggen van de kloof tussen ELSA (Ethical, Legal and Societal

Aspects) en innovatie.’

20

Artist impressionNanolab Delft.

1. In den beginne


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.’

21

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

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

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.’

ExpertsVan 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.

22

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

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 behulp -

zaam zijn bij het oplossen van problemen. Zo hebben

we in Delft twee mensen in dienst die zich volledig

richten op de techniek van het elektronenbundel -

schrijven. 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 onbegre -

pen 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 nano -

patroon maken, en willen dan weer zo snel mogelijk

terug naar hun lab voor het eigenlijke nano-

onderzoek. 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.

23

Het MESA+ Nanolab Twente.

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 commerciële 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 chemi -

caliën 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).

1.4 Organisatie enbestuursstructuur

De uitkomst van alle

overleggen, consultaties

binnen het veld, en oordelen

van de buitenlandse referenten

was een programma met een

totale omvang van 235 miljoen

euro. De helft van dit bedrag

werd bijgedragen door de

partners in het aanvragende

consortium. Dit consortium

bestond uit MESA+ van de

Universiteit Twente, het Kavli

instituut voor Nano science van

de Technische Universiteit

Delft, het Centre for Nano

Materials van de Technische

24

1. In den beginne

BioMade / Zernike Institute University of Groningen

MESA+ University of Twente

HIMSUniversity of Amsterdam

IMMRadboud University Nijmegen

PhilipsEindhoven

CNMEindhoven University of Technology

Kavli InstituteDelft University of Technology

TNO Science & IndustryDelft

BioNTWageningen UR

Utrecht University Leiden University

AMOLF Amsterdam


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 Universi teit Utrecht en

de Univer siteit van Leiden.

Binnen het programma waren ongeveer vie rhonderd onderzoekers aan het

werk. Om de samenhang in het programma te bewaken, werd een bestuur

be noemd. Dit bestuur kreeg van alle partners het mandaat om beleid te

maken, individuele projecten toe te kennen en besluiten te nemen over de

organisa tie 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 Indivi -

dual 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 hoofdonder werpen 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

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.’

1. In den beginne

3 Bsik programma NanoNed, factsheet SenterNovem

Don Eigler van IBM wist alseerste ter wereld op atomaireschaal structuren te bouwen,door IBM te spellen met indivi -duele xenon atomen. Dezeafbeelding is gemaakt door IBMCorporation.

25


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.

26

1. In den beginne

EUV-machineASML.


Schrijven, printen, stansen, bouwenWat was er zoal mogelijk in de tijd dat NanoNed begon? De halfgeleider -

industrie, 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

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 blikkenHet daadwerkelijk zien van structuren met afmetingen van enkele

nanometers was sinds de uitvinding van de STM en later van de

27

1. In den beginne

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


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 terreinenHet 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 experi menten

28

1. In den beginne


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

thermo meter werkt.

Een voorganger vanHajenius' sensor wordtgebruikt in de ALMA-telescoop (AtacamaLarge Millimeter/submillimeter Array).ALMA is een revolu -tionaire astronomischeinterferometer in Chili,die bestaat uit 66radioschotels variërendvan zeven tot twaalfmeter in diameter.


geweest waar de

wetenschappelijke wereld

wel opgewon den 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

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

30

1. In den beginne

De fluxqubit vanHans Mooij.In deze supergelei -dende ring loopt eenstroom van miljar denelektro nen tegelijker -tijd linksom enrechts om door hetmetaal.


NanoNed dachten

we dat in de fotonica

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

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.

31

1. In den beginne

'Toen NanoNed begon, bestond nanofluidics nog nauwelijks.'

Voor de start vanNanoNed werd veelverwacht van fotonischekristallen. In deze struc -turen, die bestaan uitvelden van cilinder -vormige gaatjes ofpilaartjes, kan licht vanbepaalde golflengtesgeblokkeerd worden.


32


Vlaggenschepen in de nanowereld

33

22. 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 onderzoeks -

gerichte flagshipprogramma’s, waarin

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.

Daarnaast was er een industriële adviesraad die tweemaal per jaar bij elkaar

kwam en strategisch advies gaf over belangrijke techno logische en maat -

schappelijke ontwikke lingen, trends en behoeften. De dertien leden van deze

raad waren senior onder zoekers,

directeuren en managers van de

leidende Nederlandse

nanotechno logiebedrijven. Om

de valorisatie van het onder -

zoek te stimuleren, was er tot

slot een valorisatie platform

ingesteld, dat de onderzoe kers

ondersteunde bij het verder

brengen van hun

wetenschappelijke kennis

richting productontwikkeling.

Hiervoor organiseerde het

platform mogelijk heden tot

training, coaching en

begeleiding bij het opzetten van

een start-up bedrijf.

34

Het programma was georganiseerd in 11 flagshipprogramma's.


Nanotechnologenwerken veelal incleanrooms,extreem stofvrijeruimtes.


Elektrische plasmonbron.Plasmongolven planten zicht voort tussen tweegouden metaalfilms. Zij worden opgewekt doorsilicium nanodeeltjes die door de kleine bolletjesrechtsonder worden weergegeven. Via kleinegaatjes aan de bovenkant ontsnappen deplasmonen naar buiten, waar ze in eenmicroscoop kunnen worden opgevangen.

Licht op een chipNanoNedonderzoekers 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 chipindu strie, waar dimensies

van slechts tien tallen nanometer een rol

spelen. Het licht wordt dan in de vorm van

plas monen over de computerchip geleid.

35



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

MakenNanotechnologie 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 zo’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

schrijfinstrument al snel fataal. De elf flagships

binnen NanoNed hielden zich bezig met al deze

36

Op nanometerschaal vertonen zelfs op het ooggladde materialen grillige structuren. Dit ispentaceen, een organisch materiaal.



verschillende stadia binnen nanotechno -

logie. 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 nano -

meter; fundamentele studies naar de

interactie tussen elektronen of ionen en de

materialen waarin men wil schrijven; en

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 top-

down 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.

37

Nanotechnologie houdt zich bezig met allerlei soortenmaterie op de schaal van 1 tot 100 nanometer. Op dezeschaal spelen onder andere processen in cellen zich af,zoals de interactie van DNA met eiwitten.



Binnen Bottom-up Electronics gebruikten de wetenschappers chemische

synthese om functionele componenten zoals transistors, geheugen -

elementen, 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

waarnaar gekeken werd, was hoe

componenten met nanometer -

afmetingen 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.

38

Binnen NanoNed is veel geld bestemd voor de aanschaf van state-of-the-art apparatuur. Zo maakte de hierafgebeelde dual-beam, een combinatie van een ionendepositie-installatie en een scanning electronen -microscoop, de productie mogelijk van driedimensionale structuren met afmetingen van ongeveer tiennanometer.

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

van ontwerpen.



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 beïnvloedt 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 karakteriserenOm 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

39

Door steeds verder in tezoomen, wordt uiteindelijkde allerkleinste structuurzichtbaar.



40

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



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.

BegrijpenOmdat 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

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

41

Zelfs bekende materialen gedragen zichineens heel anders op nanoschaal.



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

NanoNed onderzoekers aan

supergeleidende ringetjes, waarin de

elektrische stroom tegelijk zowel linksom

als rechtsom loopt. Verstrengeling

betekent dat twee afzonderlijke objecten

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

reken eenheid 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

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.

42

Binnen NanoNed onderzocht men nieuwe materialen, enhun mogelijkheden voor bijvoorbeeld nanoelektronica. Ditis een opname gemaakt met een atoomkrachtmicroscoopvan een laagje grafeen waar metalen elektroden op gezetzijn. Op deze manier kunnen de elektrische transport -eigenschappen van het materiaal worden bestudeerd.


De natuur diende als inspiratie voor nieuwe systemen.


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.

ManipulerenUiteindelijk had het hele NanoNedpro -

gramma tot doel het vergroten van kennis

over nanostruc turen, om via

nanotechnologie nieuwe toepas singen

mogelijk te maken. Om zover te komen,

moet men het gedrag van de gebruikte

bouw stenen 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 mole culaire geneeskunde.

43



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

deze drie locaties is een

bepaalde basis aan faciliteiten voorhanden – denk aan cleanrooms,

elektronen microscopen en vacuüm systemen – maar daarnaast heeft elke

locatie zijn eigen speciali teit. 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-

44

De faciliteiten vanNanoLabNL zijnverdeeld over drielocaties. Elke locatieheeft zijn eigenspecialisatie, zoalshet schrijven metelektronenbundels,het werken invacuüm bij lagevervuilingsgradenof het groeien vanatomaire lagenmateriaal.



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

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.

45


Daarnaast werden aspecten bestudeerd alsrisico's, verantwoordelijkheid en hoe hetalgemene publiek nanotechnologie ziet.


46

3. Kennis van het kleine


Kennis van het kleine

47


3NN_Publieksboek_v6 28-09-11 12:15 Pagina 47

48


peer-reviewed artikelen 1347

overige wetenschappelijke publicaties 275

aantal proefschriften1 136

waarvan cum laude 15

aantal noemenswaardige lezingen 3624

aantal prestigieuze prijzen/benoemingen 177

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 euro’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 collega-

wetenschappers, 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.

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


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.

Deze resultaten zijn veel beter dan men

bij de aanvang van het programma had

verwacht. Wat heeft men nu in die zes

jaar zoal ontdekt? Dit hoofdstuk bevat

een bloemlezing van de belangrijkste,

meest opvallende en meest onverwachte

wetenschappelijke ontdekkingen en

doorbraken.

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

nanomaterialen en het karakteriseren ervan.

Daarnaast zijn er nieuwe manieren

49


Spinozawinnaars werkzaam binnen NanoNed

2009 Albert van den Berg (1957)

2008 Theo Rasing (1953)

2007 Leo Kouwenhoven (1963)

2005 Detlef Lohse (1963)

2004 Ben Feringa (1951)

2003 Cees Dekker (1959)

Nieuwe materialen kunnen bijna atoom voor atoomworden opgebouwd. Het resultaat kan wordenbekeken met bijvoorbeeld een STM.


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.

Geprinte videofilmsRijnders 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

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.

50


NanoNedonder -zoekers probeerdennieuwe materialennet als LEGO -blokjes op elkaar testapelen.

Hybrides van organische en anorganischematerialen combineren de beste eigenschappen.


51


Een dun laagje gadolinium zorgt ervoor dat de informatie die isopgeslagen in het magnetische materiaal zijn weg vindt naar hetsilicium.

Magneetgeheugen praat mettransistor 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 ge -

koppeld 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 geheugen werking. 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 over stappen

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.


52


Rijnders vervolgt: ‘Daarnaast hebben

we in Twente met combinaties van

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 onder zoe kers onder andere de

elektrische transpor teigenschappen 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

Op het grensvlak tussentwee materialen dieelektrisch isolerend zijn,ontstond een geleidendelektro nengas.


53


homogeniteit van het materiaal garanderen? Dat soort fenomenen is nu

veel beter begrepen.’ 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

geïntegreerde schakelingen

overgedragen op een wafer, een

dun schijfje silicium. Het

patroon bepaalt de plaats waar

in een latere fase van het

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 chipmachine -

fabrikanten 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

Chipmachine vande Nederlandsefabrikant ASML.


NanoNed werden naast lithografie ook nieuwe technieken onderzocht

waarmee nog fijnere patronen zouden kunnen worden gemaakt, met

kritische afmetingen van twee nanometer.

Optische levensduurDiederik 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 EUV-

chipmachines.’ Dit is de tijd dat een

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 EUV-

waferstepper.’ 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

54


Schematischetekening van hetlithografiesysteemdat binnenNanoInstrumen -tation werdgemodelleerd.

'Over enkele jaren heeft iedereen iets inzijn broekzak wat is gemaakt met een

EUV-waferstepper.'



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.’

HartsensorMaar 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

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

Met de Helium IonenMicroscoop maakten deonderzoekers een miniatuur -afbeelding van de Chinesedichter Li Bai.

55


56


Nieuwe metrologischeatoomkrachtmicroscoopNanoNedonderzoekers 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 hoogvacuüm

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 denieuwe microscoopbevat een holle bal,waar het tebemonsterenmateriaal in wordtgeklemd. Zo hebbende nauwkeurigemetingen geen lastvan trillingen.


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 capaci -

teit. 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 heelalEen 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

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 meet -

tip 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 milli -

meter nu nauwkeurig doen. Dit betekent dat je op nanometerschaal

57


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


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 hoogge -

spannen verwachtingen van instrumentatieonderzoek. ‘Voor instrumen tatie

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

universeel toepasbaar moesten zijn. De belangrijkste resultaten van

het flagship liggen dan ook op uiteenlopende terreinen.

StempelenHuskens: ‘Zo hebben we een nano-imprinttechnologie ontwikkeld, die

inmiddels in samenwerking met Philips tot een commercieel


De SCIL-technologie kanhele kleine structurennauwkeurig stempelen. Vanboven naar beneden: tralies,fotonisch kristal, putjes metafmetingen van minder dandertig nanometer enmicrolenzen.

58


59


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.’ Nano-

imprinting 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

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 SCIL-

technologie 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

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.’

SCIL demonstrator.

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


Biologisch printenDe 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

wel wat trucs om het molecuul stabiel te houden, maar

verander je dan niets aan zijn oorspronkelijke

functionaliteit? Het moeilijke is om stempeltech -

nieken 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

behandelen dat de receptor altijd naar boven staat,

zodat je honderd procent functionaliteit bereikt.’

60


Patronen van menselijke kankercellen,verkregen door bovenstaand proces.

Schematische afbeelding van het selectiefhechten van menselijke kankercellen. Eerstwordt een eiwit op het oppervlakgestempeld (zwarte sliertjes). Vervolgensreageert het ongeprinte oppervlak mettoegevoegde chemicaliën tot barrièrestussen de eiwitten (geel). Na blootstellingaan menselijke kankercellen, ontstaaneilandjes met menselijke cellen op hetoppervlak (roze).


61


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

Extreem kleine streepjesultradicht op elkaarNanoNedonderzoeker 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.


62


HolografieNaast aan de imprinttechnologie, is er ook gewerkt aan een holografie -

techniek. Deze werkt met polymeren waarvan de reactiviteit afhangt van

de hoeveelheid licht die erop valt. Met een holografie opstelling 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

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 stimu -

lerend. Zo heeft mijn groep, die vooral op chemie is gericht, met de

biofysica groep van Vinod Subramaniam eiwitcomplexen onderzocht die

licht kunnen opslaan. Wij hebben die eiwitcomplexen met onze printtech -

nologie in een regelmatig patroon op een substraat gelegd. En vervolgens

bleken die complexen in dat patroon hun energie aan elkaar door te

geven.’

Er zijn membranen gemaakt metnanometerporiestructuren.

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


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 top-

down technologie komen hierbij in zicht. Op dit moment is het in labs

mogelijk om top-down, dat wil zeggen met voornamelijk patroneer -

technieken, 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

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.’

63


Een pyrex waferwaarop een seriemoleculaire diodesis gemaakt.


Zacht polymeer maakt contactBinnen NanoNed is er in eerste instantie gewerkt aan het introduceren van

meer systematiek in het maken en doormeten van elektronische struc -

turen. 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

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 mole cuul 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

64


Een moleculairejunctie. De zelf -geassembleerdemonolaag isbedekt met eengeleidend poly -meer (grijs).



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.

MaatwerkHet 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

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.

65

Boven: schematische weergaveen microscoop opname van eenmoleculaire component. Onder: Moleculaire compo -nenten zijn ook in serie achterelkaar gezet.


Flipperen met atomenNanoNedonderzoekers hebben een soort atomaire flipper -

kast 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.

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

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.

66


STM-weergave van een germaniumoppervlakbedekt met atomaire ketens bestaande uitdimeren. In B is zo'n paar, een dimeer, te zien. InC en D is zichtbaar dat het dimeer heen en weerschommelt. Dat gaat te snel voor de STM, zodathet beeld in stukken uiteen lijkt te vallen.

De schommelende beweging van eendimeerpaar. Bij oranje wijzen beide parenomlaag, bij blauw wijzen ze omlaag-omhoogen omgekeerd en bij geel allebei omhoog. Debewegingen vinden plaats in een vlak datparallel ligt aan het oppervlak.


67


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 elektronen dichtheden aan het oppervlak. Als de naald wordt gebruikt

als veertje, en met name krachten worden gemeten, hebben we het over

een AFM, een atoomkracht microscoop. Zo kunnen ook magnetische

krachten (een MFM) of elektrostatische krachten (EFM) worden gemeten.

Nadeel van al deze technieken is dat het zicht als het ware indirect is. Uit

STM-uitvindersGerd Binnig enHeinrich Rohrer.


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?

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

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 elektronen -

microscoop 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.’

68


Een STM maaktbeelden vanelektronen dicht -heden aan hetoppervlak van eenmateriaal.

'We kunnen als het ware in het molecuulen in het proces kijken.'


Lab-on-a-tipSpeller 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 AFM-

meetnaald. Voor deze technologie hebben we inmiddels een proof-of-

principle, maar er moet nog veel engineering gebeuren voordat dit ook

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 metho -

des 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 smurrieschrijvenInmiddels hebben de NanoNed onderzoekers hun technieken op tal van

verschillende objecten gericht. Speller somt op: ‘Binnen het FOM-

Instituut AMOLF hebben onderzoekers een techniek ontwikkeld

waarmee ze licht kunnen zien lopen in een nanostructuur. Dat is van

69


NanoNedonder -zoekers achter -haalden metscanning probetechnieken hoenanodeeltjes delevensduur vankunstmatigeheupen verlengen.


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.’

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

70


Scanning probetechnieken zijn opallerlei terreinentoepasbaar, vankatalysatoren totmenselijke cellen.


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 studie -

objecten, wel gelijkgestemde zielen,

zegt ze. ‘De synergie zit hem in de

nanoscopische wisselwerkings -

mechanismen, 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

71


'Mensen die in dit veld werken, zijngelijkgestemde zielen.'


72


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

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 gebrachtToen 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

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

Twee gekoppeldeflux qubits.

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


73


Supergeleidend circuit datfungeert als C-NOT poort. Detwee qubits zitten links en rechts.Aan elke qubit is een metergekoppeld, die de status van hetbit kan uitlezen.

Eerste logische quantumactieOnderzoekers 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.


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

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

74


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

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


75


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.’

KoppelingToen die coherentietijd eenmaal verlengd was, werden er ook nieuwe

doorbraken mogelijk. Mooij: ‘Helemaal nieuw was dat we fluxqubit -

systemen 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

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

De onderzoekersontwikkeldeneen nieuw typeflip-flop, eenschakelbaarelement met eenintern geheugen.


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

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.’

76


NanoNedonder -zoekers ontwikkel -den een nieuwemicroscopietech -niek, CARS. Op defoto een stukjerundvlees, in beeldgebracht met deCARS-techniek. Inrood zijn de vet -cellen te zien, ingroen de colla -geen vezels.


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 toepassingenOmdat bij de start van het onderzoek nog niet eens duidelijk was of licht

zich überhaupt op nanoschaal liet opsluiten, zijn onverwachte wegen

ingeslagen. Polman: ‘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

77


Nieuwe metaalstruc turen zorgen ervoor dat zonnecellen het licht beter kunnen invangen.


78


Magneten ompolen met lichtMagneten 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 omdataopslag mee te realiseren, ontwierpen deonderzoekers de volgende opstelling: terwijl de laser overde film beweegt, wordt telkens de polarisatie van hetlicht veranderd. De kleuren laten zien dat demagnetisatierichting in kleine gebiedjes wordt omgezet.


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

gevraagd of iedereen die een

daadwerkelijke component of

prototype had gemaakt dat eens

mee kon brengen. Onvoorstelbaar wat een veelheid aan demonstratie -

modellen 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…

79


'Onvoorstelbaar wat een veelheid aandemonstratiemodellen...'


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

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 maatOm 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

80


Binnen BioNano -systems zochtenonderzoekersnaar methodenom medicijnen teverpakken, zodatze onveranderd enwerkzaam aan -komen op deplaats waar zehun werk moetendoen.


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 ontdekkingOm 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 genees -

middel toediening, 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

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 nanofiber -

gel een ontzettend goede bodem vormt om cellen op te laten

81


Min of meer per ongelukontwikkelden deonderzoekers eennanofibergel, die zeergeschikt is om cellen op telaten groeien.


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.’

Verschillen weggemoffeldDe 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 DNA-

moleculen. Zo kan men inmiddels een enkelvoudige DNA-streng

82


Men wildeindividuelemoleculen kunnenbestuderen enmanipuleren.


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 DNA-

molecuul, om te meten hoeveel

kracht er nodig is om zo’n

molecuul op te wikkelen.

Onmeetbaar kleinBinnen 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

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

83


Met optische enmagnetische pin -cetten kunnenonderzoekerstegen woordigindividuele mole -culen manipuleren.Zo ontwikkelde hetlab van NynkeDekker een magne -tisch pincet waar -mee DNA op tedraaien is, om zo dedraaisterkte vanhet molecuul tekunnen meten.


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.’

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

84


Er zijn nieuwemanieren gevondenom oppervlaktes temodificeren om erbijvoorbeeld snelbacterieën op tekunnen hechten.


85


Door eiwitten uit hetfotosynthesesysteem vanbacteriën achter elkaar teleggen, ontstond eenlichtgeleidende 'vezel'duizend keer dunner daneen menselijke haar.

Fotosynthese nageaapt om licht te transporterenAlle 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.'


86


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

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-

'De ontwikkelingen zijn razendsnelgegaan.'

2 ISI Web of Science

Artistieke impressie vaneen nanofluï dischecomponent die kleineaantallen electroche mischactieve moleculen inoplossing kan detecteren.


87


chip zijn een duidelijk voorbeeld van een medische

toepassing, maar ook een bedrijf als chipmachine fabrikant

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

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

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

Oppervlakte nanobellen speleneen rol in de immersietechnologievan chipmachines.

Redoxcycling. Demoleculen bewegenwillekeurig tussentwee dicht bij elkaarstaande elektrodes,waar door zij elektro -nen vervoeren vande ene naar deandere elektrode. Deresul terende stroomis en maat voor dehoe veelheid en hettype molecuul.


versterkt tot detecteerbare proporties. De resulterende stroom is een maat

voor de concentratie van de moleculen in de vloeistof.

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 eigen -

schappen 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,

88


'Er zijn minder chemicaliën nodig voor dereacties, en er is maar een kleine hoeveelheid

lichaamsvloeistoffen nodig.'


89


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, reuzensnelDe 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

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 niet-

magnetisch metaal. Dit effect werd binnen tien jaar toegepast in

Het tunnelmagne -toweerstandseffect,een quantumme -chanisch effectwaardoor elektro nendwars door eenisolerende laagkunnen reizen.

Harde schijf.


90


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

Echte Harry PotterkrantHybrides 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.


leeskoppen van harde schijven. In 1995 ontdekte men het verwante tunnel -

magnetoweerstandseffect (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

magnetoweer standseffect, 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.’

Revolutionaire ontwikkelingenDe 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 tunnel -

magneto weer stands effect. Ze bestaan uit een regelmatig netwerk van

91


Schematischeweergave van detechniek vanultrasnel magne -tisch schakelen.Door een ultrakortelaserpuls te schietenop een sandwich vanmaterialen, wordenspin-gepolariseerdeelektronen uitge -wisseld tussen deverschillende lagen.


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 omEen 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

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 reuzen -

magnetoweerstandseffect.

92


Spintronica is niet alleen interessant voorharde schijven en geheugenelementen.


Spins gaan eigen wegDaarnaast 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

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 RAM-

geheugen, 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

93


In een racetrackgeheugen looptde informatie inde vorm van eenspinstroom langsde leeskoppen.


van nanotechnologie. We hebben ons minder gericht op publiekspercep -

ties 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 gedragsweten schappen.’

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 workshopsRip 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

94


Inspectie van het effectvan koolstofnanobuizen.


van de ontwikkelingsdynamiek, het in kaart brengen van krachten -

velden 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

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.’

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 vervolg -

programma dus geen

ontwikkel werk meer

aan te doen. De

methodolo gie kan nu

gewoon ingezet

worden, ook door

reguliere consultants

en op andere

terreinen.’

95


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

Er zijnverschillen destrategie-articulatieworkshopsgeorganiseerd.


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.’

Uit de wachtkamerDe 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

96


Binnen denanotechnologieis sprake vanwaiting games:aanbod en vraagzitten op elkaarte wachten, enniemand steektzijn nek uit.


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 zonnecel-

ontwikkelingsprogramma 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.

97



98

4. Rendement


99

4. Rendement

Rendement

4


Werken aan nanotechnologie betekent ‘To go where no man has gone

before’. 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 onderzoeks objecten en

bijbehorend gereed schap al doende zelf uitvinden en maken.

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 bijvoor beeld in bijna zeventig patenten, op

velerlei terreinen. Zo bedach ten 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

4. Rendement

Het pionierswerk van de onderzoekersresulteerde in bijna zeventig patenten.


101

4. Rendement

Bij de ultrageluidsensorfungeert het grensvlaktussen water en lucht alseen membraan. Detrillingen van dit mem -braan worden gemeten metbehulp van licht.

Innovation Award voorultrageluidsensorDe 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.


102

4. Rendement

Lichtgevend plasticSiebe 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 geöptimaliseerd. 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.


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. ‘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.’

103

4. Rendement

Tijdens de jaarlijk seMicroNano confe ren -tie wissel den allebetrokkenen kennisuit en werdennieuwe contactengelegd.


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 collega-

onderzoekers. 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

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

met ultraviolet licht, of gespeciali -

seerde 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 toepassings mogelijk -

heden. Zo leverde het onderzoek al sensoren op voor het nauwkeurig

meten van de temperatuur van water; voor het detecteren van magnetische

104

4. Rendement

NanoNed leverde in totaal 55demonstratiemodellen of prototypes op.

Onderzoek aandepositie vanultradunne lagenmagnetischmateriaal metultrahoog vacuümapparatuur.


105

4. Rendement

Jan Eijkel kreeg een Valorisation voucher voor hetnemen van urinemonsters van vee met lab-on-a-chipsystemen. Hiermee kunnen boeren de gezondheidvan hun vee sneller en goedkoper in de gaten houden.

Valorisation vouchersIn 2010 gaf NanoNed vijf nanotechnologische ideeën 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 calciumconcentratie -

bepaling 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.


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

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 stimulerenSommige 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

4. Rendement

Een commercieel product moet aan eenhele rits praktische eisen voldoen.


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

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 temperatuur -

veran deringen van 250 graden Celsius real time met nanometerresolutie

beelden kunnen maken.

Medimate B.V. (www.medimate.com, opgericht in 2005) ontwikkelt lab-

on-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

4. Rendement

Huub Salemink,voorzitter van hetValorisatiePlatform vanNanoNed.


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-on-

a-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 ‘microneedle-integrated patch’,

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

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 gereali -

seerd. 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

financiële steun van 37 miljoen

euro uit FES-gelden voor de

periode 2008-2014, en spant zich

in om in de toekomst het

industriële 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

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 terecht -

gekomen. Ze zijn te vinden

in de wetenschap, in het

hightech bedrijfsleven of in

ondernemers kringen. Dat

is de belangrijkste

opbrengst van dit program ma. De waarde daarvan is onmogelijk in

euro’s uit te drukken,’ betoogt onder andere David Reinhoudt. Alle

flagship captains sluiten zich daarbij aan.

Jurriaan Huskens bijvoorbeeld verwoordt het nog sterker: ‘De

voornaamste output van een universiteit, en dus ook van dit weten -

schappelijk programma, zijn de mensen. Het aanstellen en trainen van

mensen is onze belangrijkste taak.’

NanoNed werkte ook als inburgerings cursus 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

4. Rendement

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


gedwongen een

technologie breder op te

zetten dan een enkel

academisch project. Als

fundamenteel

quantumfysicus moest

je je bijvoorbeeld ook

verdiepen in de

technologie. De

promovendi hebben

binnen dit onderzoek

dan ook alles zelf

gedaan. Van het kiezen

van het materiaal en het

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.’

111

4. Rendement

Doorstroom promovendi (N=144)

Promovendi naar ‘overig’: 12%

Promovendi naar bedrijfsleven: 45%

Promovendi naar kennisinstelling: 43%


112

4. Rendement

Carrière maken met hoogpoligtapijtNanoNedpromovendus 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.


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.


114

5. Midden in het leven


115


Midden in het leven

5NN_Publieksboek_v6 28-09-11 12:16 Pagina 115

Naast de wetenschap is ook de maatschappij het afgelopen decennium

sterk geïnteresseerd geraakt in nanotechnologie. Er verschenen kranten -

koppen over het al dan niet vermeende gevaar van nanodeeltjes, futuro -

logen 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

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.

116


Welke angsten en bezwaren zijn gefundeerd,en welke zullen echt tot de categorie science

fiction blijven behoren?

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


Een goede informatievoorziening naar de burger over nanotechnologie

blijft daarom belangrijk. Men is vooral geïnteresseerd 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 risico’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 maat -

schappelijk 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 NanoLabNL-

faciliteiten 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

status van semi-bekende Nederlander bereikt.

117


NanoNedonderzoek haalde veelvuldig de media.


De meer dan 700 publieke optredens die de verschillende onderzoekers in

die zes jaar verzorgden, varieerden van het meewerken aan

televisieprogramma’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 Cafe’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 popsterIn 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

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


Dave Blank enBert Meijer opLowlands.


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 kinderboeken -

schrijfster 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

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 samen -

werking 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


Albert van denBerg gafopdracht tot hetschrijven van eenkinderboek overzijn onderzoek.


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

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


'Zo'n flagship had precies de goede grootte voorideeënuitwisseling.'


Aanspreekpunt bedrijvenAlbert 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 faciliteitenVan 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 groot -

schalige 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 NanoNed congres komt, dan denk

je “Daar gebeurt wat, daar moet ik bijzijn”.

Zo’n grote som geld maakt een bepaald

onderwerp wel ineens belangrijk, je staat

meer in de schijnwerpers.’

121


NanoNed had een grote aantrekkingskracht op jongeonderzoekers.


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 bui tenland, is zo’n

topfaciliteit met state-of-the-art technieken zeker een pre.’

NanoNed werd binnen Europa vooral bekend vanwege de consortium vorming

en investeringen in projecten, personen, flagships en infra structuur. Deze

zichtbaarheid is gebruikt door bestuurslid Huub Salemink bij de internatio -

nale bijeenkomst over nanotech 2006 in

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 NanoNed -

consortium 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


'Als je goede mensen wilt aantrekken, iszo'n topfaciliteit met state-of-the-art

technieken zeker een pre.'


123


Japan officeOp 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

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.'

‘Het Japan office fungeerde vooral als makelaar tussenonderzoekers en bedrijven uit beide landen.’


124

6. Hoe nu verder?


125

6. Hoe nu verder?

Hoe nu verder?

6


Zoals in de voorgaande hoofdstukken is beschreven, heeft NanoNed geleid

tot wetenschappelijke doorbraken, honderden hoogopgeleide mensen,

verschillende patenten, producten en bedrijven, grootschalige state-of-the-

art 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 voedings -

bodem 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

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

6. Hoe nu verder?

'NanoNed heeft de kiem gevormd vooronze huidige activiteiten.'


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.

NanoLabNLDe investeringen die NanoNed heeft gedaan in NanoLabNL hebben een

vervolg gekregen in een investering van 37 miljoen euro vanuit het FES-

fonds 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

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

6. Hoe nu verder?

De MESA+cleanroom is eenonderdeel vanNanoLabNL.


128

6. Hoe nu verder?

NanoNextNLHet 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 samenwerkings -

verband 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

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 Risico-

analyse & 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.’

NWOnanoOm 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

'Die combinatie van fundamenteel entoepassingsgericht onderzoek kan heel

vruchtbaar zijn.'


129

6. Hoe nu verder?

Chip meet effect van medicijnenop 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 ‘anoikis’: 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-α, kenmerken van apoptose te vertonen,

maken zich dan los en sterven. Wordt

diezelfde stof toegediend als er borstkanker -

cellen 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 ineen microscoop geplaatst is.


bedraagt tien miljoen euro. Hiermee zijn 21 projecten binnen de

aandachts gebieden 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

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

6. Hoe nu verder?

NanoLab TU/e.


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 gedra -

gen 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 transport -

eigenschappen kunnen

manipuleren.’

‘Daarnaast ben ik zeer geïnteresseerd

in het onderzoek naar NEMS (nano-

electromechanical systems), en naar

piëzoMEMS (systemen waarin de

elektrische, mechanische of

chemische elementen worden

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 bloed -

vatonderzoek te doen, of

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.’

Wafer metpiëzomateriaalen elektrodes.

'Voor Nederland liggen mooie kansen inmedische toepassingen van nanotechnologie.'


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

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

6. Hoe nu verder?

'We willen juist snel grote matrices vanbiomoleculen kunnen printen.'


biologie als in de technologie: wat is bijvoorbeeld de invloed van de 3D-

topologie 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

6. Hoe nu verder?

Onderzoekerswillen dit soortbioarraysrechtstreekskunnen stempelenof printen.


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

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

6. Hoe nu verder?

'Ik verwacht dat we ons over vijfjaar zullen focussen op biologische

systemen.'


135

6. Hoe nu verder?

Vrijkomen medicijn uit pil gefilmdMedicijnen die we in de vorm van een pil slikken, zitten verpakt in materiaal dat het

medicijn door diffusie geleidelijk vrij laat komen. De efficiëntie 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 egaleoppervlak links in de opname)hebben zich ook na 120 seconden noggeen kristallen gevormd, terwijl bijhet ruwe piloppervlak (rechts enuiterst links in de opname) welkristallen zijn ontstaan.


136

6. Hoe nu verder?

Computer kan eigen warmtegebruikenNanoNedonderzoekers 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 spin-

torque effect.

Een grote elektrische stroom Jc verwarmt de grote magneet (FM1) in dit geheugenelement. De afvoer van warmtevan 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 tweedemagneet (FM2) detecteert het getransporteerde magnetisch moment en zet dit om in een meetbaar voltage.


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

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 én transporteren naar een niet-magnetisch materiaal. Het warmte-

effect 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 'spin-

caloritronica', een nieuw onderzoeksgebied binnen de

spin-elektronica, dat de rol van het magnetisch

moment van elektronen in warmtetransport

bestudeert.

Afbeelding van een geheugenelementgemaakt met een elektronenmicroscoop.

Het warmte-effect is groot genoeg voor het beschrijven vangeheugenelementen in MRAM.


6.2.6 Quantumcomputing leidt tot fundamenteelnieuwe 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

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

6. Hoe nu verder?

Bij de ontwikkelingvan huidige pc'swaren er eerderverdienmomenten.Dat is bij eenquantum computerminder het geval.


6.2.7 Brandstof uit zonlicht, onverwoestbare lampenen 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

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

6. Hoe nu verder?

Verlichting gaatsteeds verder afvan de traditio -nele lamp metarmatuur.


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 genees -

kunde en weefselkweek, of synthetische biologie: nieuwe moleculen

ontwerpen met een nieuwe functie, bijvoorbeeld voor geneesmiddel -

productie. Dat gaat geheid mooie dingen opleveren.’

140

6. Hoe nu verder?

Tekening van eenzonnecel met eenzilveren nano -structuur die hetzonlicht zodanigvouwt dat het bijnain de lengterichtingdoor de zonnecelgaat reizen. Hetzonlicht wordtdaardoor efficiënterin elektrischestroom omgezet.


141

6. Hoe nu verder?

Sensor voor antraxNanoNedonderzoekers 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

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, verraadtgebonden anthrax zich in blauwe kleuren.

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


6. Hoe nu verder?

142

‘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

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

'Nederland kan hier zeker vooropblijven lopen.'


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?’

‘Een andere toepassingsmogelijk heid 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 bloed-

hersenbarrière op een chip maken om medicijnen te testen, of

bijvoorbeeld de schadelijkheid van nanodeeltjes...’

143

6. Hoe nu verder?

Er wordt gewerktaan de ontwikke -ling van een nano -pil, waarmeedarm kanker in eenvroeg stadium kanworden opge -spoord.


144

6. Hoe nu verder?

Een kompasnaald voor lichtEen 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 denaald maakt het mogelijk het magneetveld van licht waar te nemen.


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

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-to-

roll printing organische LEDs geproduceerd. We zoeken nu naar een

145

6. Hoe nu verder?

'De vraag is of we magnetischeeigenschappen kunnen toevoegen aan

bestaande plastic elektronica.’

Er wordt gezochtnaar manierenom spintronicate integreren inorganische LEDs,die roll-to-rollworden geprint.


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 nanotech -

nologie. 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

6. Hoe nu verder?


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 computer geheugens... 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

6. Hoe nu verder?

Door onderzoek kwamennieuwe werelden binnenbereik, op de kleinstmogelijke schaal.


148

Bijlagen


149

Bijlagen

bijlagen


Mensen in NanoNed

2005

BestuurProf. 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

BestuursraadProf. 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 AdviesraadDr. Frank de Jong, FEI Company (Voorzitter)

Dr. Gustaaf Borghs, IMEC

150

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 NanoLabNLDr. 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

BestuurProf. David Reinhoudt, Universiteit Twente (Voorzitter)

Prof. Huub Salemink, Technische Universiteit Delft (Vice-voorzitter)

Prof. Dave Blank, Universiteit Twente

Prof. Reinder Coehoorn, Philips

Dr. Léon Gielgens, NanoNed bureau (secretaris)

Prof. Jasper Knoester, Rijksuniversiteit Groningen

Dr. Jos Put, DSM

BestuursraadProf. David Reinhoudt, Universiteit Twente (Voorzitter)

Prof. Huub Salemink, Technische Universiteit Delft (Vice-voorzitter)

Prof. Dave Blank, Universiteit Twente

151

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 AdviesraadDr. Frank de Jong, FEI Company (Voorzitter)

Prof. Staf Borghs, IMEC

Dr. Job Elders, C2V

Dr. Léon 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 NanoLabNLDr. 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

Mensen in NanoNed


153

Mensen in NanoNed


Verklarendewoordenlijst

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.

anorganischAnorganische moleculen bevatten relatief weinig of geen koolstof-

koolstofbindingen en worden meestal niet in plant of dier gesynthetiseerd.

bottom-upBenadering die kleine elementen samenvoegt tot grotere gehelen. In

nanotechnologie: het bouwen van grotere structuren met atomen en

moleculen als bouwstenen.

coherentieStatus waarin de informatie in een quantumsysteem blijft bestaan.

e-beamElectron beam, straal van elektronen die bijvoorbeeld kan worden gebruikt

om patronen in een substraat te schrijven.

éénkristalKristal waarvan de bouwstenen (atomen, ionen of moleculen) een enkel

overal identiek kristalrooster vormen.

154

Verklarende woordenlijst

a

b

ce


etsenGecontroleerd 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.

ferromagnetischMateriaal 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 beïnvloed kan worden

door het elektrische veld van de spanning op de gate.

FlagshipOp onderzoeksonderwerp gegroepeerde organisatorische eenheid binnen

het NanoNedprogramma.

flux qubitRekeneenheid van een quantum computer, bestaande uit een supergelei -

dende ring waarin elektronen tegelijk linksom en rechtsom kunnen lopen.

fotonLichtdeeltje.

fotonicaWetenschap die zich bezighoudt met de wisselwerking tussen licht (>

fotonen) en elektronen.

fotonisch kristalKristallijne 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


f


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.

grafeenMateriaal dat bestaat uit een enkele laag koolstofatomen, gerangschikt in

een kippengaasrooster.

halfgeleiderMateriaal 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 MicroscoopMicroscoop die gebruik maakt van een straal heliumionen om

afbeeldingen te maken of patronen te schrijven.

ionbeamStraal van ionen die gebruikt wordt om afbeeldingen te maken of patronen

te schrijven.

isolatorMateriaal dat elektrische stroom niet kan geleiden.

lab-on-a-chipApparaatje 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


g

h

i

l


lithografieProces 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

variëren in grootte van een micrometer tot enkele millimeters.

moleculaire transistorMolecuul met de eigenschappen van een transistor.

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

reuzenmagnetoweerstandseffect.

nanodraadDraad waarvan de diameter enkele nanometers bedraagt.

NanoNextNLSelectief 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


m

n

o


organischOrganische 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-elementElement 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 piëzo-

element

quantum computationNieuwe manier van rekenen die gebruik maakt van quantummechanische

verschijnselen zoals > superpositie en > verstrengeling.

quantum dotHalfgeleidermateriaal waarin de ladingsdragers in drie dimensies zijn

opgesloten. De afmetingen van het puntje materiaal zijn zo klein dat er

quantummechanische effecten optreden.

resistLicht- of stralingsgevoelige lak.

sampleProefstuk. 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


p

q

rs


spinRonddraaiende beweging van een deeltje om zijn as. In deze publicatie:

ronddraaiende beweging van een elektron om zijn as.

spin torqueEffect waarbij een stroom elektronen met gelijkgerichte spins een magneet -

veld veroorzaakt in een geleidend materiaal.

spintronicaWetenschap 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.

stageOnderstel, 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.

superpositieSuperpositie van een deeltje betekent dat bijvoorbeeld de spin hiervan alle

mogelijke waarden tegelijkertijd kan aannemen.

tipNaald 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


t


top-downBenadering 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.

transistorApparaat dat bestaat uit een halfgeleider die zwakke elektrische signalen

versterkt of schakelt.

tunnelstroomElektrische stroom die ontstaat als elektronen bijvoorbeeld in een > TMR-

component door een > isolerend laagje heen tunnelen.

verstrengelingVerstrengeling 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.

zelfassemblageSpontane ordening van losse componenten in een patroon als gevolg van

specifieke, lokale interacties tussen de componenten zelf.

160


v

z


161



IllustratieverantwoordingHet 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.

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

Hoofdstuk 1. In den beginne…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 nanowereldNynkeDekkerlab 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 kleineJeroen 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. RendementASML (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 levenShutterstock (p. 114); Coolpolitics (p. 118, beide foto’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

Illustratieverantwoording



Sonja Knols-Jacobs

NanoNed was een grootschalig Nederlands onderzoeksprogramma op

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 financiële duw in de rug?

Blader door dit boekje en lees over tegenslagen, meevallers en

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 patiënten,

efficiëntere zonnecellen, en nieuwe materialen met onvermoede

eigenschappen. Kortom: over hoe ooit futuristische dromen in zes jaar

tijd door uitmuntend wetenschappelijk onderzoek werkelijkheid

werden.

Dwerglan

dschap

Nanotechnologie van fiction naar science Sonja K

nols-Jacobs

Dwerglandschap - Nanotechnologie van fiction naar science

Documents

Transcript of Dwerglandschap - Nanotechnologie van fiction naar science