MicroMegazine

Zwaai van nano goudkorreltje indicatievoor versheid van gewassen

Microstuwraket voor microsatelliet

Meer ontspanning voorkomt stuiterende componenten

MicroMegazinen u m m e r 3 • f e b r u a r i 2 0 1 0

NedMicroISSN 1877-301X

MegazineMicroMicro Megazine No 3, februari 2010

MegazineMicroMicro Megazine – 2010 no3

Colofon

Omslagfoto: SEM-opname van een micro-straalpijp in wording, waarbij silicium met een femtoseconde-laser wordt beschoten.

MicroMegazine is een uitgave van MicroNed en verschijnt 3 keer per jaar.Oplage: 3500ISSN 1877-301X

Nummer 3 (doorgenummerd)

Jaargang 2

RedactiePhilip Broos (hoofd- en eindredacteur)

Medewerkers aan dit nummer:Hans van EerdenHenne van HeerenBennie MolsLoes RuizendaalArno SchrauwersFrans Widdershoven

Redactiesecretariaat &abonnementenadministratieMicroMegazineLucienne DadoMekelweg 2 2628 CD Delft telefoon (015) 278 4357e-mail: [email protected]

FotografieMicroNed, tenzij anders vermeld.

Vormgeving & OpmaakCok Francken (TU Delft – MultiMedia Services)

DrukDeltaHage BV, Den Haag

RedactiecommissieDr.ir. Bert Monna (SystematIC design BV),Dr. Frans W.H. Kampers (Wageningen Universiteit & Researchcentrum) en Dr.ir. Richard Q. van der Linde (MicroNed)

Toen MicroNed in 2005 van start ging had iedereen er

een eigen verwachting en ideeën bij: de onderzoekers

met hun onderzoeksvraag, bedrijven met hun nieuwe

producten of diensten, en de overheid dacht aan de

economische vooruitgang en werkgelegenheid in Neder-

land. Nu, bijna 5 jaar verder en met nog krap 2 jaar te

gaan, is een moment om terug te gaan blikken op de

verwachtingen van toen.

Het terugblikken op verwachtingen is belangrijk. Niet

alleen om te kijken naar wat er nu feitelijk is bereikt met

MST in en voor Nederland, maar ook om er lering uit te

kunnen trekken voor volgende onderzoeksprogramma’s.

En dit is zeker geen triviale bezigheid. Is er tè weinig van

de verwachtingen gerealiseerd, dan zal dat het imago

van MST niet ten goede komen. Wordt er tevéél bereikt,

dan slaan vroeg of laat de inflatie en de ongeloofwaar-

digheid genadeloos toe. Beide scenario’s leiden tot een

onzekere toekomst voor het vakgebied.

We doen er dus goed aan om verwachtingen te onder-

bouwen met concrete resultaten. Met ieder MicroMaga-

zine worden meer concrete resultaten binnen MicroNed

zichtbaar die worden verankerd in duurzame initia-

tieven, producten en samenwerkingen. Daarmee komen

we steeds dichter bij onze verwachtingen van toen.

Gelukkig zijn onze verwachtingen ook grotendeels vast-

gelegd en gekwantificeerd in een nuldocument. Deze

meetlat is ook naast de voortgang van het hele consor-

tium gelegd en hieruit blijkt dat we ook hier goed op het

toen ambitieus gestelde schema liggen. Uiteraard zijn

we er nog niet. Gelukkig ligt er nog veel moois verborgen

in onze 150 onderzoeksprojecten die staan te trappelen

om het daglicht te zien.

Binnenkort komt de jaarlijkse rapportageronde er weer

aan. Hiermee concretiseren we de bereikte output en

impact van MicroNed in 2009 en worden individuele

successen toegelicht. Dit zijn belangrijke jaarlijkse terug-

blikmomenten. Ik ben ervan overtuigd dat we hiermee

volledig tegemoet gaan komen aan de hoge verwach-

tingen van toen.

Prof.dr.ir. Fred van KeulenWetenschappelijk directeur MicroNed

3 Wuivend goudkorreltje wordt mate van versheid van agro-productenBen je inkoper voor een grootwinkelbedrijf en krijg je een partij groente aangeboden voor een wel erg interessante prijs, dan wil je toch ook wel even weten hoe vers die groente is. Nu ben je zeker een dag kwijt om dat op onafhankelijke wijze vast te stellen met mRNA-onderzoek. Dat is wel erg lang voor die bedrijfsstak. Delftse en Wageningse onderzoekers ontwikkelden een nieuwe en snellere techniek. Daarmee kan in een paar minuten (met een microscoop) de aanwezigheid van mRNA worden gedetecteerd aan de hand van de ‘uitzwaai’ van het goudbolletje aan het eind van een DNA-streng.

9 Microstuwraket voor nieuwe Delftse microsatellietNederlands eerste microsatelliet, de Delfi-C3, krijgt binnen afzienbare tijd gezelschap uit eigen gele-deren: de Delfi-n3Xt. Deze microsatelliet krijgt een actieve standregeling voor het richten van de zon-nepanelen en voor het uitvoeren van proeven. Voorzien van een uiterst innovatieve microstuwraket kan Delfi-n3Xt in een bepaalde baan om de aarde worden gestuurd en gehouden en is daarmee klaar voor formatievliegen in zwermen van microsatellieten.

17 Twee octrooien voor twee veertjes tegen stuiterende onderdelenWie wel eens een radiootje of computer heeft opengemaakt, weet dat er printplaten in zitten met soms wel honderden componenten. Steeds kleinere weerstandjes, diodes, microprocessoren die door machines met zuigmondjes in schokdempende soldeerpasta worden geplaatst. Er komen steeds meer niet-elektrische componenten, zoals lensjes van mobiele telefoons, die zonder soldeerpasta worden aangebracht. Dat levert een stuiterpartij op, waarvoor TNO een oplossing bedacht met twee veertjes.

23 Hebbedingetje

24 HTS&M: toekenning van €125 miljoen

25 MicroNed Impact, agenda en mededelingen

26 AIO-studiereis naar China

32 MicroNano Conferentie 2009: terugblik met foto’s

31 Estafette-column door Dr. Frans Widdershoven: Aangenaam en nuttig

Verwachtingen van toen

3MegazineMicroMicro Megazine – 2010 no3

(Fo

to: (

ww

w. h

avem

ang

roen

.nl)De shii-take (Lentinus Edode) komt oorspronkelijk uit

China en Japan, maar hij is inmiddels een van de meest geteelde paddenstoelen in de

wereld. Hij groeit op dood hout en wordt daarom ook wel witrotter genoemd. Shii-take

dankt zijn populariteit in culinaire kringen aan de heerlijke beet en bijzondere smaak.

Daarnaast zijn er velen die de shii-take paddenstoelen een heilzame werking toedichten.

(www. havemangroen.nl)

mRNA-detectiemethode levert snelle bepaling op voor werkzame stoffen.

Versheid van voedsel testen met ‘goud gekroonde’ DNA-streng

Plak aan het eind van een stukje DNA een gouden bolletje van zo’n 80 nanometer (1 nm = 10-9 m) en lijm dat vast op een

glasplaatje. Voeg een weinig water toe, plus de inhoud van een plantencel en je kunt binnen enkele minuten (met een

microscoop) zien of het celmateriaal afkomstig is van een vers product, en of de hoeveelheid van een helende stof snel

zal afnemen in concentratie. Dat is de nieuwe techniek die de onderzoeksgroep Quantitative Imaging van de faculteit

Technische Natuurkunde van de TU Delft en de onderzoeksgroep Food Quality Analysis binnen het instituut Food &

Biobased Research van Wageningen UR samen ontwikkelen. Daarbij kan in minuten de aanwezigheid van mRNA worden

gedetecteerd aan de hand van de ‘uitzwaai’ van het goudbolletje aan het eind van de vastgeplakte DNA-streng. Er zijn

ook andere mRNA-methodes om dergelijke bepalingen te doen, maar die duren langer en ze zijn soms gevoelig voor

fouten. Versheidonderzoek kan sneller, maar een dàg (zoals nu de norm) is veel langer dan wat de praktijk nodig heeft.

door Arno Schrauwers

4 MegazineMicroMicro Megazine – 2010 no3

A

T

A T

A T

A T

A T

A

G

C

G

G

C G

C G

C G

G C

G C

G C

Adenine

Cytosine

Thymine

Guanine

SugarPhosphateBackbone

BasePair

NitrogeousBase

Hij lijkt op de champignon. Alleen zijn hoed is wat platter, de hoed van de shii-take-paddestoel. Het schijnt dat de shii-take, oftewel de Lentinus edodes, één van de meest geteelde paddenstoelen ter wereld is. Van oorsprong liggen de teelt-gebieden in de oosterse landen zoals China en Japan en dan vooral in de koudere, hogere gebieden. Het is een padden-stoel die groeit op dood hout en wordt ook wel de witrotter genoemd. In het Verre Oosten zijn ze er van overtuigd dat de paddenstoel een heilzame werking heeft. Hij zou het choles-terolpeil in het bloed verlagen, goed zijn tegen de kater, de algehele weerstand verhogen, maar vooral een medicijn zijn tegen kanker. Daarvoor zou de stof Lentinan verantwoordelijk zijn, een verbinding die bestaat uit een groot aantal suikermo-leculen. Lentinan zou de werking van ons afweersysteem tegen de vorming van kankercellen vergroten.

DNA-afdrukNu eerst even wat biochemische bruggetjes: in cellen van planten en dieren worden stoffen zoals, bijvoorbeeld, Len-tinan gevormd met behulp van eiwitten. Die eiwitten op hun beurt, worden gemaakt door ribosomen (een bepaald gebied

De werkzame stof Lentinan in shii-take, een verbin-

ding die bestaat uit een groot aantal suikermole-

culen, wordt niet alleen verantwoordelijk gehouden

voor de heilzame werking op de cholesterolspiegel,

maar ook voor de extra aanmaak van T-cellen, waar-

mee het de algemene afweer ondersteunt en een

medicijn tegen kanker zou zijn. De handelaar in shii-

take zou graag zelf kunnen vaststellen hoe vers de

aangeboden paddenstoelen zijn, terwijl de kweker

voor zijn afnemers met medisch oogmerk pas

wil oogsten wanneer het Lentinan-gehalte van zijn shii-take zo hoog mogelijk is.

Onderzoekers van de TU Delft en de Wageningen Universiteit werken binnen een

MicroNed-project samen aan een methode die snel beide gegevens kan leveren.

De methode is gebaseerd op het detecteren van mRNA met behulp van een opti-

sche microscoop.

Het detecteren van mRNA

kan ook worden ingezet

om bederven van groenten

en fruit te voorkomen, bij-

voorbeeld door in een

vroeg stadium te kunnen

voorspellen welke partijen

kans lopen op bewaar-

problemen, zoals de ziekte

hol & bruin bij peren. (fo

to: F

oo

d &

Bio

base

d Re

sear

ch v

an W

agen

ing

en U

R

NUCLEUSCYTOPLASM

Free amino acids

RibosomemRNA being translated

mRNA

DNA

Gene

tRNA bringing amino acid to ribosome

mRNA copying DNA

in nucleus

Ribosome incorporating amino acids into the

growing protein chain

Het rijpen van fruit en de aanmaak van bijvoorbeeld de stof Lentinan in shii-take

paddenstoelen worden (net zoals veel andere processen in levende weefsels)

gereguleerd door eiwitten. De genetische informatie, die is opgeslagen in het DNA

in de celkern, bevat de bouwcode voor die eiwitten. De informatie wordt door een

boodschappermolecuul (mRNA=messengerRNA) overgebracht naar het ribosoom,

een gebied in de cel dat op basis van de bouwcode de gewenste eiwitten produ-

ceert.

Het DNA in een celkern bestaat uit een dubbel-

strengs helix. De code in elk van de strengen is

complementair aan de andere. De bouwstenen

van DNA zijn de nucleotiden, die bestaan uit

een suiker-phosphaat groep en een base (ade-

nine, cytosine, thymine en guanine). Zo zit ade-

nine altijd tegenover thymine en cytosine altijd

tegenover guanine. Het mRNA is een soort-

gelijk molecuul, maar heeft in plaats van thy-

mine een uracyl base en een zuurstof-atoom

extra. Bovendien bestaat mRNA meestal uit een

enkele streng.

(Im

age

cou

rtes

y o

f Ja

ne

Wan

g, T

he

Scie

nce

Cre

ativ

e Q

uart

erly

)

Aan een microvaatje, waarin al goudgekorreld DNA met behulp van een eiwit op de bodem is geplakt, wordt via microfilters het extract van de inhoud van een plantencel toegevoegd, waarna het geheel onder de microscoop wordt gelegd. Daarvoor gebruiken de Delftse onderzoekers een donkerveldmicroscoop. Dit type microscoop werkt met strooilicht, waardoor een hoog contrast kan worden verkregen. Anders dan de in de biologie veel toegepaste fluorescentiemicroscoop, loop je met de donkerveldmicros-coop niet het risico van het ‘bleken’ van de goudbolletjes, het gaandeweg uitdoven van de fluorescentie van de bron.De verandering van de uitslag van de bolletjes geeft aan of het desbetreffende stukje DNA langer wordt onder invloed van het ‘aanmeren’ van een mRNA-molecuul. In principe is dit een zogenoemd éénmolecuulsysteem, maar uiteraard

Een mRNA-meter

(ww

w. h

avem

ang

roen

.nl)

MegazineMicroMicro Megazine – 2010 no3 5

in de cel) ‘aan de hand van’ molecuul dat boodschapper-RNA, oftewel mRNA wordt genoemd. Een mRNA-molecuul is een afdruk met een dezelfde genetische data als van een stukje DNA, maar het heeft een zuurstofatoom meer dan DNA.

Om te bepalen of het begeerde Lentinan in de witrotter gevormd wordt, en van teelt tot consument aanwezig blijft, helpt het om specifieke mRNA aan te tonen dat verantwoor-delijk is voor de aanmaak van het eiwit dat de productie van die stof in de cel mogelijk maakt of de afbraak ervan reguleert. Je kunt met deze methode ook de aanwezigheid van andere mRNA volgen, bijvoorbeeld die samenhangen met het bederf van voedsel of de houdbaarheid..Het sublieme van de snelle bepalingsmethode voor mRNA, die met de Engelse afkorting TPM (tethered particle motion oftewel aangelijnde deeltjesbeweging) wordt aangeduid, is dat de methode snel is, relatief gevoelig en eenvoudig uit te lezen. Zo is de donkerveldmicroscoop die nodig is om de beweging van de goudkorreltjes te volgen, vrij eenvoudig en relatief goedkoop. Deze optische microscoop heeft de mogelijkheid om de beweging van de goudkorreltjes met

Door twee microscoopglaasjes op elkaar

vast te plakken met dubbelzijdige tape

maakt Sanneke Brinkers een microvaatje.

Met een pipet wordt de vloeistof met DNA-

strengetjes tussen de glaasjes gespoten.

De ene kant van het strengetje hecht zich

aan het onderste glaasje. Vervolgens wordt

de vloeistof met goudbolletjes ingespoten,

die zich aan het vrije uiteinde van het DNA-

strengetjes hecht. Het microvaatje wordt in

een houder geschroefd en met de donker-

veldmicroscoop bestudeerd.

De houder kan tot op een graad nauwkeurig op temperatuur worden gehouden.

Dat is nodig voor de hybridisatie van het mRNA aan het DNA-strengetje. De slange-

tjes aan de zijkant zijn voor de in- en afvoer.

kunnen ook meer stukjes DNA op het substraat worden geplakt. Om meerdere reacties waarbij het desbetreffende mRNA een rol speelt tegelijktijd te kunnen volgen, hoeft een onderzoeker alleen maar voor te zorgen dat er strengetjes van verschillende typen DNA zijn aangebracht. Met deze mRNA-meter kan niet alleen de versheid van voedsel worden bepaald. In principe kan je allerlei verschillende synthese, regulatie of afbraakprocessen in een cel op deze manier inzichtelijk maken wat vele productoptimalisaties kan ondersteunen. Ipv ook de concentratie van sommige stoffen worden vastgesteld die met behulp van bepaalde eiwitten in een cel worden gesynthetiseerd, of er kan een ‘opname’ worden gemaakt van het eiwitspectrum van een cel. De fantasie is de grens van de toepassing.

Testing freshness with ‘gold crowned’

DNA-string

If say a grower today wants to know the Lentinan level in the shii-take mushrooms, he’ll have to wait at least a day to find when he should start harvesting. The same goes for purchasers of chain stores who want to know how fresh the lot of vegetables is that they’ve been offered at a bargain price. Scientists at Delft University of Technology and at Wageningen University in the Netherlands have been working on an optical method that should come up with the answer in minutes. The method is based on a technique called Tethered Particle Motion (TPM). It seems really very simple: buy a specific DNA-string, attach one side of it to a glass microscope slide, buy a gold nanoparticle and attach it to the other side of the string. Next you add a little water and the contents of a plant cell. Looking through your darkfield microscope you can establish within minutes the freshness of the product or the level of an active component, like Lentinan, for instance. What you’ll actually be looking at, is to see how the gold particle sways. The natural conformation of the DNA-string is to be curled up, as a result the attached particle shows relatively little movement. If the gold particle sways a lot, it means that a specific mRNA-molecule has lodged itself on the DNA-string and so uncurled it. The presence of the mRNA from the plant cell is an indication of the freshness.

For further information, please contact ir. Sanneke Brinkers, e-mail [email protected], or dr. Jurriaan Mes, tel. (0317) 481 174, e-mail [email protected]

a b s t r a c t

>


de juiste (precisie) resolutie te bepalen.De gedachte achter de Delftse methode is zo eenvoudig, dat je bijna het idee hebt dat je het zelf had kunnen bedenken. Het feit dat de Delftse onderzoeksgroep de eerste in de wereld is die de methode gebruikt voor de bepaling van één molecuul mRNA, maakt duidelijk dat het kortweg niet zó simpel is.Overigens lijkt een zorgvuldige laboratoriumhygiëne bij het gebruik van deze methode geen overbodige luxe. Een paar moleculen van het ‘RNA-etende’ enzym RNA-ase, dat op huid en haren voorkomt, hebben de boel in het microvaatje gauw vervuild. Maar dat wil nog niet zeggen dat je onder cleanroom-condities zou moeten werken, stelt ir. Sannneke Brinkers, die bij de vakgroep Quantitative Imaging van de faculteit Technische Natuurkunde van de TU Delft samen met collega dr. Heidi Diet-rich aan het project werkt.

“Indien je maar handschoenen gebruikt, je werktafel schoon-houdt met een bepaald middel en je niet aan je gezicht krabt, dan is het risico van vervuiling niet al te groot.”

TouwtjeStel je een ballon aan een touwtje voor. In de ballon zit heli-umgas. De ballon is vastgemaakt aan de balkonreling. Het is duidelijk dat de bewegingen van de ballon onder invloed van de wind worden beperkt door de lengte van het touwtje. Iets soortgelijks doet zich voor bij de Delftse TPM-techniek. Je plakt het ene eind van een stukje DNA (minder dan 1‰ van een hele DNA-streng) met behulp van een eiwit op een substraat, bijvoorbeeld glas. Aan het andere eind van het DNA-strengetje hecht je met behulp van een ander eiwit een minuscuul goudkorreltje van zo’n 80 nanometer (= 0,00008 mm) en zet het geheel in water (in een microvaatje). Onder invloed van de Brownse-beweging botsen de watermoleculen tegen dat goud-bolletje, dat heen en weer zal gaan slingeren. Het enkelstrengs-DNA (in natuurlijke vorm bestaat een DNA-molecuul uit twee complementaire strengen, de dubbele helix) heeft de neiging zich ‘op te rollen’. Daardoor is de effectieve lengte van het

‘touwtje’ kleiner dan bij een volledig gestrekte streng en zal het goudkorreltje weinig bewegingsvrijheid hebben. Wanneer er nu een mRNA-molecuul uit een plantencel in de buurt van het verankerde DNA-strengetje komt en daar vanwege dezelfde genetisch code op kan aanmeren, dan zal deze DNA-streng zich (deels) ontrollen. Het gevolg is dat het bolletje een grotere uitzwaai kan maken. Je hoeft dus maar door de microscoop te turen om te zien of dat mRNA-molecuul aanwezig is. Als het bolletje breder gaat zwaaien, dan heb je beet.

OligoNatuurlijk hoef je, stelt Sanneke Brinkers, niet constant door de microscoop te loeren. Je kunt de beelden met een spe-ciale camera opnemen en later met een beeldverwerker via een grafische kaart van de computer de bewegingen van het goudkorreltje volgen en aan de uitslag aflezen of het mRNA-molecuul is ‘aangemeerd’ aan het complementaire stukje op de DNA-streng. Brinkers c.s. gebruiken voor de beeldverwerking niet de centrale processor (CPU), zoals meestal gebeurt, maar de videokaart (GPU) van de computer. Het mooie van de GPU is dat er heel veel bewerkingen tegelijkertijd kunnen worden uitgevoerd, wat aanzienlijk scheelt in de tijd die de beeldver-werking kost. Grafische kaarten hadden die capaciteit altijd al, maar pas sinds elektronicafabrikanten nog niet zo lang geleden de zogenoemde CUDA beschikbaar hebben gesteld aan weten-

Dit beeld, zoals gezien

door het oculair van Brin-

kers microscoop, ont-

staat doordat het opval-

lend licht vanaf de zijkant

de oranje goudbolletjes

op de voorgrond fel doet

oplichten tegen de don-

kere achtergrond. Daar

waar geen goudkorreltje

voor verstrooiing van het

licht zorgt, is het donker en

daarom wordt dit instru-

ment een donkerveldmi-

croscoop genoemd.

Met een schaalmodel

(schaal van 1:100.000) is

goed te zien hoe de water-

moleculen (gesimuleerd

met blauwe bolletjes van

piepschuim) door de ther-

mische energie constant

in beweging zijn. Met hun

botsingen brengen ze de

goudkorreltjes eveneens

in beweging (de goudkorreltjes voeren de Brownse beweging uit). Omdat ze aan

DNA-strengetjes vastzitten, beïnvloeden die de beweging van de korreltjes en

worden ze binnen een bepaald gebied gehouden. Hoe hun positieverdeling eruit

ziet, hangt af van de flexibiliteit en de lengte van het DNA-strengetje.

PC

Lichtbron

Collectorlens Ringvormig diafragma

Monster-houder in

microvaatje

Objectief100x/0.9

45° spiegel

Reflectorlens

CCD camera

Met een donkerveldmicroscoop wordt bij een vergroting van meestal 100x de

beweging van de goudbolletjes in het microvaatje bekeken. Met een speciale CCD-

camera aan de andere kant van de microscoop worden voor opnamen van de

dynamica 200 beeldjes per seconde gemaakt; voor de mRNA-metingen zijn dat 2

beelden per seconde.

Principe van de donkerveld-

microscoop. Anders dan in

een gewone optische micro-

scoop, wordt in een donker-

veldmicroscoop het belich-

tingspad gescheiden van het

afbeeldingspad. De belichting

komt binnen onder zo’n grote

hoek, dat het gereflecteerde

licht niet meer in het afbeel-

dingspad terecht kan komen.

De CCD-camera vangt alleen

het licht op dat wordt ver-

strooid door de goudkorreltjes.


>

schappelijke beeldbewerkers, die grafische programmatuur ontwikkelen, kunnen zij de GPU direct benaderen.Maar hoe weet je nu dat niet iets anders de ontrolling van het enkelstrengs-DNA veroorzaakt?Even daarvoor heeft Brinkers verteld dat met behulp van ingekocht RNA de werking van het meetsysteem in aanleg is aangetoond.Ze houdt echter een slag om de arm: “We moeten nog wat voorzichtig zijn. Heidi heeft onlangs de eerste metingen gedaan, waarbij we kunnen zien dat het mRNA aan het DNA gaat zitten. De werking van het systeem is dus in principe bewezen. We hebben dat trouwens niet alleen met RNA gedaan, maar ook met bepaalde moleculen, in de biologie beter bekend als oligo’s.” Oligo(nucleotiden) zijn piepkleine stukjes erfelijk materiaal. Brinkers laat wat plaatjes zien: “Wanneer je hier naar dit plaatje (zie grafiek Excursie; as) kijkt, dan zie je dat het een tijdje duurt voordat de uitslag groter wordt, wel een minuut of vijftien. Het duurt dan ook enige tijd voor zo’n mRNA molecuul in de buurt van het DNA-strengetje aankomt. De verlenging van die streng duurt ook enige tijd. Dat komt omdat het mRNA niet in één keer over de gehele lengte aan de DNA-streng hecht, het duurt even voor de hechting voltooid is. We hebben tot nog toe dus kunnen laten zien dat je met deze techniek de aanwezig-heid van bepaalde mRNA-moleculen kunt aantonen.”

“En”, zegt Brinkers, “dat betekent dat de methode in principe werkt. Nu nog verder onderzoeken hoe specifiek we zijn.”

Knipperende kwantumdotsProductversheid is een thema waar Wageningen natuurlijk belang in stelt. Daarvoor zochten ze naar een goedkopere en snellere methode dan de bestaande, en zijn gaan deelnemen in dit MicroNed-project.Je zou met deze methode ook de concentraties van het mRNA kunnen meten door naar meerdere DNA-strengen tegelijk te kijken. Brinkers: “Dat is nog niet zo eenvoudig, maar we werken er aan.”De Delftenaren zijn, voor zover zij weten, de enige in de wereld die met dit systeem met gouden bolletjes en een donkerveld-microscoop werken. Er zijn er die werken met een TIRF-microscoop (Totale Interne Reflectie Fluorescentie; as). Andere mensen werken met polystyreen of latexkorrels, maar die zijn op zijn minst zo’n tweeënhalf keer groter. Brinkers: “Je wilt de beweging kunnen detecteren, maar die bolletjes moeten niet overheersen. De gouden bolletjes zijn klein, maar het kan nog veel kleiner. We zitten bijvoorbeeld aan knipperende kwantum-dots te denken. Deze ‘stippen’, die voldoen aan de wetten van de kwantummechanica, zouden we ook halverwege de DNA-streng kunnen vastknopen, zodat we kunnen zien wat er daar met het DNA gebeurt. We zijn ook van plan een soort lus of

‘haarspeld’ in het DNA-strengetje in te laten bouwen. Wanneer het mRNA-molecuul dan aanmeert aan de DNA-streng, gaat de lus weer open en wordt de lengte in één klap veel groter, zodat je een betere en duidelijker indicatie krijgt van de aanwezigheid van het gezochte mRNA. We doen dat niet zelf, natuurlijk, want wij houden ons hier met de fysica bezig.”

Driedimensionaal Brinkers: “We willen ook nog de derde dimensie aan de waarneming toevoegen. Er zijn namelijk verschillen in de manier waarop mRNA-moleculen van verschillende genen zich koppelen aan ons DNA-strengetje. Je kunt je voorstellen dat,

In elk beeldje van de

CCD-opnamen wordt

de positie van het kor-

reltje bepaald. Wanneer

alle posities van 1 kor-

reltje over elkaar worden

gelegd in één beeld,

geven ze samen de posi-

tieverdeling van het

goudkorreltje weer.

De grootte van de bewe-

ging kan ook worden

omschreven door de

excursie, dat wil zeggen,

de afstand van de afbeel-

ding (de 2D-projectie

van het bolletje) tot het

(geschatte) aanhechtings-

punt van de DNA-streng.

In dit geval is dat 197

nanometer.

Complementary RNA150

100

50

0 500 1000 1500 2000 2500 3000

Excu

rsio

n [m

m]

Time [s]

injection

Binding gedetecteerd!

Wanneer de excursie van het goudbolletje over de tijd wordt gevolgd, is aan het

begin een kleine beweging te zien. Die beweging is typisch voor een enkelstrengs

DNA-molecuul aan een goudbolletje. Zo’n 1000 seconden na toevoegen van een

mRNA-molecuul die op het DNA-strengetje past, is te zien dat de beweging van het

bolletje groter wordt, tot het uiteindelijk een niveau bereikt dat hoort bij dubbel-

strengs DNA. In de tussentijd is het mRNA dus langzaam over zijn hele lengte aan

het DNA gaan plakken.

Een van de vernuften die

Brinkers c.s. wil toepassen,

is het enkelstrengs DNA

effectief nog korter te

maken door er een lus in

aan te brengen. Door de

codering van het DNA slim

te kiezen, zou het mogelijk

moeten zijn de streng op

een bepaald punt aan zich-

zelf te laten (ver)kleven. Het mRNA-molecuul heeft echter een veel grotere affini-

teit voor het kleven aan het DNA waardoor de lus of haarspeld open gaat wanneer

het bindt. De uitzwaai van de DNA-streng wordt dan significant groter en daarmee

ook de excursie van het goudkorreltje. Het zou de detectie van het mRNA-mole-

cuul nog een stuk makkelijker maken.


bijvoorbeeld, het ene mRNA-molecuul exact op het DNA past en dus koppelt met alle naast elkaar gelegen nucleotiden (de bouwstenen van DNA en RNA; as), terwijl een ander mRNA-molecuul een paar nucleotiden overslaat, waardoor er een extra lusje in de DNA-streng komt. Het extra lusje heeft tot gevolg dat de uitzwaai van dat DNA-strengetjes dus minder groot zal zijn en het goudbolletje minder hoog komt. Dat levert extra informatie op uit die derde dimensie, de hoogte. We willen de hoogte ook gebruiken om beter onderscheid te kunnen maken tussen een kleine beweging, doordat het DNA is opgerold, en een geringe beweging doordat het bolletje op het glaasje is gaan plakken. Wanneer het bolletje plakt, zal het waarschijnlijk niet op dezelfde plek zijn als het aanhechtingspunt. Die informatie hebben we al uit eerdere metingen kunnen halen. Is echter de DNA-streng opgerold, dan zal dat vlak bij het aanhechtingspunt op het glaasje zijn. Een ander voorbeeld waarbij je die derde dimensie kunt gebruiken, is wanneer je eiwitten in plaats van mRNA-moleculen wilt detecteren. Er zijn eiwitten die op de hele DNA-streng gaan zitten en daarmee het DNA stijf maken en de beweging belemmeren. Die eiwitten kunnen ook hechten aan het glaasje. Dus door de hoogte te meten, kunnen we onder-scheiden of dat gebeurt of niet.”

“Er zijn nog geen formules voor om de precieze beweging van de bolletjes te berekenen; dat geldt overigens in zijn algemeen-heid. Ik heb daar een simulatie voor gemaakt, waaruit we hebben gezien dat de hoogte veel informatie toevoegt.”Brinkers heeft vastgesteld dat je ook de hoogte van de bolletjes kunt bepalen met een goede resolutie: “Wanneer je het mon-ster in een bepaald focaal vlak afleest, dan kun je aan de hand van de (on)scherpte van een bolletje in het beeld de derde dimensie bepalen.”

PrincipeVoorlopig is de projectgroep nog wel een paar jaar zoet met het uitzoeken van allerlei zaken. Tot nu toe heeft onderzoek bewezen dat het principe van de mRNA-meter werkt.Dr Jurriaan Mes van de WUR: “Wij ondersteunen het onderzoek met verschillende DNA-fragmenten en RNA-monsters. Onder-tussen blijven we verder zoeken naar de indicator-genen. Die heb je nodig om er je kwaliteitsmetingen en voorspellingen over het verloop van gezonde inhoudstoffen op te baseren. Zolang de nieuwe methoden nog niet is uitontwikkeld, maken we gebruik van de zogenoemde Real Time PCR methode. Wan-neer er straks een snellere methode is, zullen wij de methode op basis van de indicator-genen, gebruiksklaar maken voor de praktijk. En dan specifiek voor de verschillende vragen die telers en handelaren aan hun product stellen.”.Naast de Delftse vakgroep Quantitative Imaging (de fysische en fysieke kant) en de Wageningse onderzoeksgroep Food Quality Analysis (synthetiseren van de stukjes DNA), participeren in dit MicroNed-project de bedrijven Friesland Food, Aquamarijn (microfilters). Ook het Laboratorium Aero- en Hydrodynamica van de TU Delft en vakgroep Biofysische Techniek bij de Univer-siteit Twente zijn betrokken in dit mRNA-meetproject.

Meer nadere informatie over dit onderwerp kunt u contact opnemen met

ir. Sanneke Brinkers, tel. (015) 278 3221, e-mail [email protected], of met

dr Jurriaan Mes, tel. (0317) 481 174, e-mail [email protected]

De hoogte-informatie kan Brinkers achteraf deduceren uit de foto’s die met de

CCD-camera zijn gemaakt. Bij een foto van meerdere goudbolletjes op verschil-

lende hoogten, zullen de bolletjes die precies in het focaal vlak liggen, scherp

zijn. De bolletjes die onder en boven het focaal vlak liggen, geven verschillende

onscherpe beelden. Die verschillende afwijkingen heeft Brinkers in kaart gebracht

en gebruikt die nu om de hoogtecomponent automatisch te kunnen bepalen.

De methode van de Delftse

natuurkundigen kan ook

worden gebruikt om meer-

dere genen op één chip te

detecteren (multiplexen).

Er worden dan gebiedjes

gemaakt waarop verschillenden typen DNA-strengen met bolletjes vastzitten. Door

de beweging van alle bolletjes te volgen, kan tegelijkertijd de aanwezigheid van

meerdere mRNA-moleculen worden gedetecteerd en daarmee bijvoorbeeld in één

keer zowel de versheid als de rijpheid van een gewas bepalen.

Voor het fundamentele begrip van deze methode is het belangrijk om ook de

hoogte van het bolletje te kunnen meten, stelt Brinkers. Het 3D-beeld (rechts)

geeft een veel ruimtelijker indruk van de positie van de goudbolletjes dan de

2D-projectie (links).

Daarom is ze nu bezig de hoogtecomponent actief te vergaren en te verwerken in

de presentatie van de meetresulten.

gene A gene B control


Innovatieve microvoortstuwing voor nieuwe Delftse microsatelliet

In 2011 staat de lancering van de Delfi-n3Xt-microsatelliet gepland, de opvolger van de Delfi-C3 die in 2008 werd

gelanceerd. In tegenstelling tot zijn voorganger, krijgt Delfi-n3Xt een microstuwraket die de positie van de satelliet op

elk moment kan bijregelen. Het wordt een van de kleinste en innovatiefste microstuwsystemen die rond de aarde gaat

vliegen. MicroNed-onderzoekers hebben bijgedragen aan het ontwerpen, maken en testen ervan.

door Bennie Mols

(Fo

to: I

ndi

an S

pace

Res

earc

h O

rgan

isat

ion

ISRO

, Ban

gal

ore

, In

dia)

De lancering van, onder meer, de Nederlandse Delfi-C3-microsatelliet met een

PSLV-raket vanaf de basis van de Indiase ruimtevaart organisatie ISRO aan de

zuidoost-kust van India op 28 april 2008.


Vanaf een basis in de buurt van de stad Chennai aan de oost-kust van India werd op 28 april 2008 de Nederlandse Delfi-C3-satelliet met een raket in een baan rond de aarde geschoten. Hij is niet groot en zwaar, zoals de meeste satellieten in een baan om de aarde, maar juist klein en licht. Delfi-C3 heeft een volume van drie liter − hij meet tien bij tien bij dertig centimeter − en weegt ongeveer drie kilogram. Hij haalt zijn energie uit zonnepanelen en via dunne rolmaat-achtige voelsprietantennes communiceert hij met de aarde. Decennialang werden satel-lieten steeds zwaarder en complexer. Bang voor het voortijdig verliezen of stuk raken van zo’n kostbare satelliet, werden de kwaliteitstesten ook steeds veeleisender. Dat maakte de hele missie nog duurder. Daarnaast duurde het steeds langer eer een satelliet eindelijk werd gelanceerd. Wie kleine experi-menten in de ruimte wilde uitvoeren, moest soms wel tien jaar wachten voor zijn instrument eindelijk met een missie kon. Vooral universiteiten hadden daar last van.

Delfi-C3 past in een nieuwe satellietfilosofie die eind jaren negentig in de VS werd ontwikkeld: maak de satellieten niet als maar groter en zwaarder, maar juist kleiner en lichter. Tot 500 kilo werden ze microsatellieten genoemd (tot 10 kg heten ze eigenlijk nanosatellieten); ‘small is beautiful’ werd het credo. Bij het ontwerp van microsatellieten is niet het gewicht de belangrijkste beperkende factor, zoals bij grote satellieten, maar het volume. Dat betekent dat miniaturisatie een vereiste is. Gelukkig kwam vrijwel tegelijkertijd de microsysteemtech-nologie op. Deze maakte steeds kleinere elektromechanische systemen zoals kleppen, filters, sensoren, microkoelers en zonnesensoren (zie MM nr. 2 – red) en nu dus stuwraketten. Delfi-C3 was Nederland’s eerste microsatelliet. In de toekomst zouden zwermen van microsatellieten in formatie door de ruimte kunnen vliegen. Ze kunnen bijvoorbeeld de aarde obser-veren of een ruimtestation van buiten inspecteren. Met z’n alle presteren ze dan minstens net zo veel en misschien zelfs wel meer dan één enkele grote satelliet. Bovendien heeft de zwerm een groot voordeel: hij is veel minder kwetsbaar dan de grote satelliet. Ook als een lid van de zwerm het begeeft, kan de rest de geplande taken nog steeds uitvoeren. Dat is de succesvolle overlevingslogica van een zwerm bijen of een kolonie mieren: zwermlogica.

MillinewtonsDelfi-C3 meldt zich nog dagelijk via de radio vanuit de ruimte. Een mooie demonstratie van een eerste-generatie micro-satelliet in de ruimte. Met de zwermlogica in gedachte zullen toekomstige microsatellieten ook in formatie moeten kunnen vliegen met wellicht tientallen andere microsatellieten. Het wordt dan zeer belangrijk dat de microsatellieten ten opzichte van elkaar de juiste positie aanhouden. Daarvoor is een microstuwraket nodig die de microsatelliet in de ruimte een klein duwtje kan geven om hem in de gewenste positie te brengen. In 2011 staat de lancering van de Delfi-n3Xt gepland, de opvolger van de Delfi C3. Delfi-n3Xt heeft dezelfde afme-tingen als Delfi C3 – 10 x 10 x 30 centimeter – maar krijgt als een van de eerste microsatellieten in de wereld ook een microstuw-raket. Om deze technologie te kunnen laten kwalificeren, heeft MicroNed extra geld vrijgemaakt. Ir. Berry Sanders van TNO Defensie & Veiligheid in Rijswijk is de coördinator van het

Artist impression van Delfi-C3 in een baan om de

aarde. De plaatsing van zenden ontvangstanten-

ne’s en de zonnepanelen is zodanig bepaald, dat

ondanks het vrij tuimelen van de satelliet, toch

een optimale communicatie en energiegeneratie

wordt gerealiseerd.

Artist impression van Delfi-n3XT die in 2011/2012 zal worden gelanceerd. De

grootste innovatie van Delfi-n3Xt t.o.v. Delfi-C3 is actieve standregeling met behulp

van electro-magnetische spoelen en reactiewielen. Niet alleen handig voor het

richten van de zonnepannelen, maar ook voor payloads en natuurlijk het micro-

voortstuwingssysteem. Met die microstuwraket kan Delfi-n3Xt in een bepaalde

baan om de aarde worden gestuurd of gehouden en deelnemen aan zwermen.

Artist impression van drie in formatie vliegende satellieten. Als onderdeel van een

zwerm blijven ze, anders dan in een strak geregelde formatie, losjes bij elkaar in de

buurt en houden afstand zoals vogels in zwermen dat doen. Dit verlicht de eisen

aan het voortstuwingssysteem waardoor het kleiner en lichter kan zijn. Voor veel

toepassingen, zoals bijv. het radioastronomie-project OLFAR, is het belangrijker te

weten wààr een satelliet is dan om een satelliet in een specifiek positie te krijgen.

In het kader van het Small

and Medium Enterprises –

Leading Edge Technologies-

programma (SME-LET) van de

Europese Ruimtevaart Organi-

satie (ESA) heeft TNO samen

met Bradford Engineering BV

uit Heerle (NB) in 2004 een

eerste poging gedaan om

koelgas generatoren te mini-

aturiseren voor de ruimte-

vaart. In het systeem zijn

12 koelgasgeneratoren van

enkele grammen per stuk te

zien rond een gemeenschap-

pelijk voorraadbuffer, waarin

het gas tijdelijk wordt opge-

slagen.

Afb

eeld

ing

TU

Del

ft

Afb

eeld

ing

TU

Del

ft

(Afb

eeld

ing

TU

Del

ft


Nederlandse programma dat de micro stuwraket ontwikkelt. TNO werkt hierin samen met onderzoekers van de TU Delft en de Universiteit Twente.

“Onze uitdaging was het raketvoorstuwingssysteem teminiaturiseren”, vertelt Sanders, “een kleine stuwraket, die toch voldoende stuwkracht kan leveren. Daarnaast wil je de grootte van de stuwkracht precies kunnen bepalen.”Een stuwraket bestaat in het algemeen uit een drukkamer waarin een drukgas wordt gegenereerd of ligt opgeslagen, een klep die de uitstroom van dit gas uit de drukkamer regelt en een straalpijp (uitstroomkanaal of tuit) waarin het uitstro-mende gas wordt versneld. De straalpijp heeft de vorm van een zandloper. Het gas stroomt eerst door het conver gerende deel van de straalpijp. Hierdoor versnelt het gas tot de geluidsnel-heid wordt bereikt in de keel (de nauwste doorsnede) van de straalpijp. Daarna stroomt het versnelde gas door het diverge-rende deel van de straalpijp het heelal in, waarbij het gas nog verder versneld wordt tot ver boven de geluidssnelheid. Hoe kleiner de uitstroomopening van het gas, hoe ijler het uitstro-mende gas wordt. Bij miniaturisatie en bij lage drukken worden de kanaalafmetingen dermate klein dat ze van een zelfde orde worden als de vrije weglengte tussen de gasmoleculen. Hierdoor kunnen de prestaties van de motor onacceptabel laag worden. De onderzoekers moesten erachter komen bij welke uitstroomdiameter, vorm en ruwheid van de uitstroomtuit de stuwkracht nog steeds groot genoeg is om de microsatel-liet in de ruimte een beetje te verplaatsen. Het gaat dan om een stuwkracht van slechts enkele millinewtons. Dat is in de orde van een miljard maal minder dan bij grote, conventionele stuwraketten.

“...en dit is het resultaat”, zegt Sanders, terwijl hij een print-plaatje van tien bij tien centimeter laat zien. Op het printplaatje zit een buffertankje (plenum) met daarin acht koelgasgene-ratoren. De koelgasgeneratoren kunnen het tankje acht keer bijvullen met de stuwstof: stikstofgas. Via eerst een microklep en vervolgens de microstraalpijp (geïntegreerd met de klep) moet straks het stikstofgas het heelal in stromen en de Delfi-n3Xt voldoende stuwkracht leveren.

“Dit is een van de kleinste en innovatiefste voortstuwingssy-stemen die gaat vliegen”, vervolgt Sanders. “Het is zo’n tien-maal kleiner dan met conventionele technieken mogelijk is.”Op grond van dit engineering-model maken de onderzoekers een kwalificatiemodel waarmee ze 2010 de laatste kwalifica-tietests gaan doen. In principe is het kwalificatiemodel identiek aan het vluchtmodel. Dr. Marcus Louwerse van de Universiteit Twente maakte de microsystemen van de microstuwraket, ir. Barry Zandbergen van de faculteit Luchtvaart- en Ruimtevaart (TU Delft) simuleerde en testte het stuwraketje en ten slotte integreerde TNO Defensie & Veiligheid alle onderdelen tot een geheel. Het hele project is grotendeels betaald uit MicroNed; TNO, de Universiteit Twente en de TU Delft hebben ook bij-gedragen. Het onderzoek en het maakwerk hebben bij elkaar tussen tien en vijftien manjaar gekost.

StromingssimulatieDe acht cylindertjes in het gastankje op de printplaat zijn miniatuur koelgasgeneratoren, legt Sanders uit. Er zit geen gas onder hoge druk in, maar met een elektrisch signaal wordt er in een van generatortjes een chemische reactie in gang gezet die

Minute thruster for microsatellites

In 2008 the Netherlands launched its first microsatellite, the Delfi-C3 from the ISRO rocket base in India. Ever since, the microsatellite has been in daily radio contact with the ground station at Delft University of Technology. Its rather lonely existence may come to an end in 2011, when the Delfi-n3Xt will be launched. One of the main theories behind the implementation of these minute satellites is their deployment as a swarm, as they are reckoned to be tough and robust because the individual members are inter-exchangeable. When they operate as a swarm, the microsatellites could easily take over specific jobs from one another in case of a system failure or when damaged through space debris. But to participate in a swarm once orbit, microsatellites need thrusters. TNO and TU Delft and the University of Twente, in a joined MicroNed MISAT-project, designed, manufactured and tested one of the world’s smallest thrusters. Trying to find the optimal configuration, resulted in ‘X-stream DSMC-code’, CFD-software dedicate to micro-nozzles.

For further reference, please contact Berry Sanders, [email protected], or Professor Chris Kleijn, e-mail [email protected], or Dr Marcus Louwerse, e-mail [email protected] or Barry Zandbergen,e-mail [email protected]

a b s t r a c t

Op grond van een succesvolle demonstratie voor het

SME-LET-programma kregen TNO en Bradford Engi-

neering de opdracht om de gasgeneratoren (45 mm

x 150 mm) in de ruimte te demonstreren aan boord

van de Proba-2 satelliet. Deze satelliet werd op

2 november 2009 vanuit Rusland gelanceerd.

Binnen het Microned-project MISAT hebben TNO, de TU Delft en UTwente de mini-

aturisatie van de technologie voortgezet in de vorm van een voortstuwingssysteem

voor cubesats. Door het toepassen van in Microned ontwikkelde miniaturisatie

technieken voor de kleppen en de sensoren, zijn de gasgeneratoren ook met een

factor 5 verkleind. Dit zogenoemde Engineering Model (testmodel) van 10 x 10 cm,

met 8 koelgasgeneratoren (elk met 0,3 gram stuwstof) en een gewicht van onge-

veer 130 gram, heeft de haalbaarheid van een dergelijk systeem aangetoond. De

elektronica voor de communicatie met de boordcomputer van de satelliet, is nodig

voor het aansturen van de klep en de gasgeneratoren en voor het uitlezen van de

druk- en temperatuursensoren. In 2007 is dit systeem succesvol op aarde getest.>


stikstofgas maakt. In de houder van de gasgeneratoren, die ook als buffertank dienst doet, wordt het gas tijdelijk opgeslagen. Op commando opent de microklep en stroomt het stikstofgas vanuit het buffertankje via de straalpijp het healal in.Ervaring met grote stuwraketten was er wereldwijd te over, maar die gaat niet automatisch op voor microstuwraketten, waarbij de lengteschalen veel kleiner zijn en het uitstro-mende gas veel ijler. Delftse onderzoekers hebben binnen het MicroNed-cluster FUNMOD (Fundamentals, Modelling and Design of Microsystems) bestudeerd hoe anders de stroming in een microstuwraket is in vergelijking met een conventionele raket. “Een stroming door een kleine uitstroomopening onder-vindt meer weerstand dan die in een grote uitstroomopening”, vertelt FUNMOD-clusterleider prof.dr. Daniel Rixen van de TU Delft. “Dan gaat de stuwkracht omlaag en mag je de klassieke ontwerpregels voor stuwraketten niet zomaar meer toepassen.”

IJle luchtIn principe bestuderen de onderzoekers binnen FUNMOD pro-blemen van fundamentele aard, niet gericht op een specifieke toepassing. Maar de microstuwraket leek ze een mooie testcase om het meer fundamentele stromingsonderzoek te koppelen aan een concrete toepassing. Promovendus Federico La Torre en prof. dr.ir. Chris Kleijn van de afdeling Multi Scale Physics van de TU Delft hebben de stroming in de microstuwraket op de computer gesimuleerd om te onderzoeken hoe de efficiëntie van de voortstuwing afhangt van de vorm, de afmetingen en de wandruwheid van de straalpijp.

“Daarbij stonden we voor het probleem dat de gasmoleculen bij de instroom heel dicht op elkaar zitten en bij de uitstroom juist vrij ver van elkaar”, vertelt Kleijn. “Bij de instroom heeft het gas typisch een druk van drie bar, maar bij de uitstroom slechts iets van 0,01 bar. Dat drukverschil levert problemen op voor conventionele stromingssimulaties.” Commerciële simulatiesoftware (Computational Fluid Dynamics, ofwel CFD) behandelt het stromende gas als een continuüm. Het gas is dan niet langer een verzameling losse moleculen, maar een aaneengesloten medium dat op elk punt een snel-heid, een druk en een temperatuur heeft. Bij de instroom van de microstuwraket zitten de gasmoleculen dicht genoeg op elkaar om CFD te mogen toepassen. Maar bij de uitstroom is het gas zo ijl dat je rekening moet houden met het feit dat het uit losse moleculen bestaat.Kleijn: “De cruciale vraag is dan welke simulatietechniek je bij de uitstroom moet gebruiken en waar je het beste de grens kunt leggen tussen het gebied van de ene en de andere simula-tietechniek.”

DeeltjessimulatieLa Torre en Kleijn gebruikten voor de simulatie van de uitstro-ming van de straalpijp een techniek die DSMC heet: Discrete Simulatie met de Monte Carlo-methode. Dat is een simulatie-techniek die de grote hoeveelheid moleculen op een handige manier reduceert tot een behapbaar aantal (zie kader voor meer details). Samen met TNO Techniek en Industrie in Delft en Eindhoven ontwikkelde de groep van Kleijn voor dit probleem de ‘X-stream DSMC-code’.Met de combinatie van CFD voor de instroom van het stik-stofgas en DSMC voor een groot deel van de uitstroom bestudeerden La Torre en Kleijn vervolgens twee problemen. Ze wilden allereerst weten wat de invloed is van de ijlheid van het stuwgas bij de uitstroomopening op de stuwkracht. Hoe kleiner je de straalpijp maakt, hoe ijler het uitstromende gas en

Vooraanzicht van het test-

model. In het midden is de

uitsparing voor de externe

klep met de straalpijp

(nozzle). Microsatellieten

bestaan voornamelijk uit

een frame waarin print-

platen worden gestapeld.

Het systeem mocht dus niet te hoog worden en daarom werd gekozen om de gas-

generatoren naast elkaar te monteren. De behuizing om de gasgeneratoren heen

fungeert tegelijkertijd als buffertank om het gas tijdelijk op te vangen.

In 2008 werd het T3MPS-

microstuwsysteem gese-

lecteerd voor de Delfi-n3Xt

satelliet. Het oorspronke-

lijke ontwerp is inmiddels

aangepast. Dit Qualifica-

tion Model (prototype), met

in het midden de straalpijp,

werd in 2009 ontworpen

en gebouwd. De externe klep uit het testmodel is inmiddels vervangen door een

interne opstelling. De klep en de MST-straalpijp van de UTwente zijn nu in de

metalen buffertank ondergebracht. De dop aan de linkerkant is de houder en aan-

sluiting voor de sensoren. De aansluitingen van gasgeneratoren zijn inmiddels naar

de achterkant van de behuizing verhuisd.

De semi-transparante CAD-teke-

ning laat goed zien dat dat

behuizing van de gasgene-

ratoren, de sensoren en de

regelklep, tevens als buffer-

tank fungeert. Na afvuren

vult een gasgenerator de buffer-

tank met stikstofgas voor de straalpijp. Is het gas

van de eerste gasgenerator op, dan volgt de tweede enzovoort.

Het elektronische ontwerp is

eveneens aangepast aan de

eisen van de Delfi-n3Xt-satel-

liet. Zo is, onder meer, het

communicatieprotocol veran-

derd van een CAN-X-bus naar

een I2C-bus.

Om gewicht te besparen

zijn de behuizing en de

acht gasgeneratoren in

de werkplaats van TNO-

PML uit puur titanium

gebouwd. De gewenste

miniaturisatie vereiste de

ontwikkeling van verschil-

lende nieuwe productiemethodieken. Door deze goed te documenteren, zijn zij

ook beschikbaar voor toekomstige projecten.


hoe belangrijker het is om deze te vraag te beantwoorden. Ten tweede wilden ze weten wat de invloed is van de wandruwheid op de stuwkracht. Een straalpijp is nooit perfect glad en hoe kleiner de straalpijp hoe groter de verwachte invloed van de ruwheid op de prestatie.

WandruwheidVoor het onderzoek naar de invloed van de wandruwheid bestudeerde La Torre zowel de wandruwheid in de omtreks-richting als in de lengterichting van de straalpijp.

“De ruwheid in de lengterichting bleek geen invloed op de stuw-kracht te hebben”, concludeert la Torre. “Dat komt omdat de effectieve oppervlakte van de doorstroomopening nauwelijks verandert. Maar de wandruwheid in omtreksrichting blijkt wèl een sterk effect te hebben. De stuwkracht daalt dan al snel met vijftien tot twintig procent.”Bij het onderzoek naar de invloed van de ijlheid is de grote vraag hoe sterk de efficiëntie van de microstuwraket daalt bij steeds kleinere uitstroomopeningen, en daarmee lagere stuwkrachten. Die vraag wil La Torre in 2010 beantwoorden (zie kader), maar op grond van de simulaties die hij al heeft gedaan, weet hij al wel dat bij stuwkrachten tussen enkele millinewton en enkele micronewton de efficiëntie sterk gaat afnemen. Dat komt omdat het gebied (de grenslaag) waarin de wand zijn invloed laat merken aan de bulkstroming, relatief groter wordt naarmate de straalpijp kleiner wordt.La Torre: “Dat heeft wel weer tot gevolg dat de hoek van de uitstroomopening groter mag worden dan volgens de conven-tionele ontwerpregels. Wanneer de grenslaag groter wordt, neemt de effectieve uitstroomopening immers af.”Hoewel La Torre en Kleijn alleen naar microstuwsystemen voor microsatellieten hebben gekeken, hebben microstuwsy-stemen een bredere toepassing dan alleen in de ruimtevaart, vertelt Berry Sanders van TNO Defensie & Veiligheid. “Ook voor het analyseren van kleine hoeveelheden gas of vloeistof in zogeheten lab-on-a-chips wil je een klein pompsysteem dat de vloeistof rondpompt. Je wilt immers niet dat het pompsysteem veel groter wordt dan de chip. Hiervoor kunnen de principes van microstuwsystemen uitkomst bieden.”

Belangrijkste eigenschappen van

het microvoortstuwingssysteem

van de Delfi-n3Xt:

• De voortstuwing komt van stikstofgas dat tijdens de vlucht in kleine koelgasgeneratoren wordt gegenereerd. Het wordt tijdelijk opgeslagen in een buffervat dat tevens de houder is van de koelgasgeneratoren. Het buffervat heeft een aan-sluitpunt voor de klep en de thruster.

De nozzle heeft een kleinste doorsnede (de keel) die tussen• 100 en 250 micrometer ligt• Het klepje en de nozzle worden gemaakt met MEMS-

technologie• De stuwkracht ligt tussen 1 en 100 millinewton• De massa ligt onder de 120 gram• Afmetingen zijn kleiner dan (90 x 96 x 35) millimeter

Het stikstofgas wordt door de vorm van de straalpijp versneld tot supersonische

snelheden. Het stuwgas treedt de straalpijp binnen in het convergerende deel en

bereikt een snelheid van Mach 1 in de keel; het nauwste deel van de doorgang.

Wanneer het gas vervolgens kan expanderen in het divergerende gedeelte, ver-

snelt het verder tot het de straalpijp verlaat met enkele malen de geluidssnelheid.

Verschillende stadia tijdens de productie van een nozzle uit silicium, weergegeven

met opnamen van een elektronenmicroscoop. Voor het maken van het gat paste

ir. Job Louwerse van de UTwente een femtosecond laser toe, die met een voorge-

programmeerd patroon een oppervlakte met een diameter van 250 μm bewerkte.

Voor het eerste beeld is dit patroon 32 keer herhaald, voor het 2e beeld 64 keer,

voor het 3e beeld 128 keer en voor het laaste beeld was dat 256 maal. Wanneer

silicium met een femtosecond laser wordt bewerkt, ontstaan er micropilaartjes die

de structuur van de zijwand van de nozzle bepalen. De groeven in de zijwand zijn

een overblijfsel van deze micropilaartjes.

Om de juiste instelling van de laser bij de juiste vorm van de straalpijp te krijgen,

zijn er de nodige teststructuren gemaakt. Telkens werd er met dezelfde instelling

een veldje van structuren gemaakt. Vervolgens werd het silicium gebroken om

de doorsnede te kunnen beoordelen. Omdat silicium langs een kristalvlak breekt,

gebeurt dat altijd wel een keer precies door het midden van een heel rijtje.

Dit gat met een diameter van onge-

veer 100µm eindigt in een punt,

verdere bewerking resulteert

nauwelijks in een dieper gat.

>


Glazen straalpijpVoor het ontwerp van de straalpijp heeft TNO Defensie & Veilig-heid de simulatieresultaten van La Torre en Kleijn gebruikt.Sanders: “Uit de resultaten konden we afleiden bij welke afmetingen van de straalpijp de stuwkracht tè laag zou worden. Om op veilig te spelen zijn we met ons ontwerp ruim boven die grens gaan zitten.”Besloten werd dat de straalpijp 525 micrometer lang moest worden, dat is de dikte van een standaard siliciumschijf uit de chipindustrie. De nauwste doorsnede van de straalpijp − de keel − moest tussen de 100 en 250 micrometer breed worden. De hoeken van de in- en uitstroomtuit met de horizontaal moesten tussen de 15 en 20 graden komen te liggen. Aan de hand van dit ontwerp maakte de onlangs gepromoveerde Marcus Louwerse van de Universiteit Twente verschillende noz-zles. Maar niemand wist nog wat de beste techniek is om zo’n klein straalpijpje te fabriceren. Niemand wist nog hoe je zorgt dat het oppervlak zo glad is dat het de stroming niet verstoort. Louwerse begon twee verschillende technieken uit te proberen:

“Eerst heeft mijn broer Job met een femtosecondelaser een straalpijp uit silicium geschoten. De femtosecondelaser schiet heel korte pulsen op het silicium waardoor het materiaal ver-dampt. Toen we het resultaat onder de elektronenmicroscoop bekeken, bleek echter dat het wandoppervlak vrij ruw werd. Daarnaast heeft deze techniek als nadeel dat je eerst van de ene kant de instroomopening van de nozzle maakt en daarna van de andere kant de uitstroomopening. Hierbij zorgt de uitlij-ning voor onnauwkeurigheden.”Een tweede techniek gaf betere resultaten. Louwerse gebruikte nu een halve millimeter dik plaatje van Borofloat-glas als basis-materiaal in plaats van silicium. Met een techniek die poeder-stralen heet, maakte hij een klein gaatje van 300 μm in het glas. Door vervolgens de temperatuur van het glas te verhogen, ging het glas vloeien en kon hij de in- en uitstroomopeningen van de straalpijp precies in de juiste vorm afronden.Dr. Louwerse: “Dit levert een gladdere wand op dan het laseren van silicium. Behalve de gladheid is het ook belangrijk dat de straalpijp perfect symmetrisch is. Als dat niet zo is, wordt het lastiger om de microsatelliet de juiste richting op te sturen zonder dat hij gaat rondtollen. Door het smeltproces is dat ook gelukt. De microstuwraket van de Delfi-n3Xt zal daarom een straalpijp van glas krijgen.”

Discrete Simulatie met de Monte

Carlo-methode

Stel dat het gas in de microstuwraket uit miljarden moleculen bestaat, dan modelleert DSMC het gas met veel minder deeltjes. La Torre MSc en prof.dr.ir. Kleijn gebruikten tussen de honderdduizend en de tien miljoen kunstmatige deeltjes. Elk zo’n kunstmatig deeltje stelt een bepaald aantal echte gasmoleculen voor. De kans dat twee deeltjes met elkaar botsen, hangt af van het snelheidsverschil tussen de deeltjes, de temperatuur en de diameter van de deeltjes. Daarnaast is er nog een toevalsfactor, die met de Monte Carlo-techniek wordt gegenereerd. Het is alsof je met een dobbelsteen gooit om te laten meewegen of de deeltjes al dan niet met elkaar botsen.

Connector met 19 tuitjes (nozzles) ontworpen door Fernando Tardaguila

en Barry Zandbergen (fac. L&R, TUD) en speciaal door Dr Marcus

Louwerse gemaakt voor de tes topstelling bij de Delftse facul-

teit Lucht- en Ruimtevaart. Eén tuitje geeft een stuwkracht

van slechts 5mN. Zo’n lage stuwkracht was lastig te

meten met de toen beschikbare middelen. Daarom

zijn er 19 tuitjes in het silicium gemaakt, wat

een goed te meten stuwkracht van gezame-

lijk 95mN opleverde. Het silicium schijfje

is bovenop een glazen buisje gesmolten.

In de onderkant van het glazen buisje is

een metalen connector gelijmd, die in de

meetopstelling wordt geschroefd.

De structuur van micropilaartjes die ontstond

door de beschieting van silicium met een femtose-

cond-laser, bleek toch niet helemaal ideaal. Daarom heeft Dr. Louwerse een straal-

pijp gemaakt van glas, die een veel gladdere wand oplevert. In het centrum van

een glazen schijfje met een doorsnede van 6 mm heeft hij een tuitvorm aange-

bracht. Dit schijfje is aan een glazen buisje gesmolten. Door middel van O-ringen

wordt het vrij opgehangen en verbonden met het stuwstoftankje.

Houder voor de klep (onderin) en de straalpijp

van het Qualification Model van het micro-

voortstuwingssyteem. Voor het volgende

model ontwikkelt Dr. Marcus Louwerse van

UTwente momenteel een silicium klep die zal

worden geïntegreerd met de straalpijp.

Bovenaanzicht van de

glazen straalpijp met in het

midden de tuitvorm (door-

snede 300μm).

(Lees verder op pagina 16)

De koelgasgeneratoren zijn van tita-

nium gemaakt en bevatten

0,3 gram stuwstof. De

twee gaten zijn voor de

elektroden van de elek-

trische ontsteking. Het

kleine gaatje (rechts) is de

uitstroom van het stuwgas.


Moleculaire Dynamica

Het domein van de stroming wordt denkbeeldig opgeknipt in kleine cellen, die elk tientallen deeltjes kunnen bevatten. Op grond van het gedrag van de deeltjes in de cellen, kun je ver-volgens weer macroscopische stromingsvariabelen als druk en snelheid berekenen. DSMC is een praktisch alternatief voor een simulatie waarin je elk gasmolecuul modelleert, een techniek die Moleculaire Dynamica (MD) heet. Theoretisch is MD de meest exacte techniek omdat elk gasmolecuul meedoet in de simulatie. Maar omdat het aantal moleculen zo gigantisch is, kost MD in de praktijk te veel rekentijd voor systemen met afmetingen groter dan enkele nanometers. Ook het toepassen van DSMC voor het hele gebied van de straalpijp is rekenkundig duur, omdat het aantal moleculen aan de instroomzijde al heel groot is. De meest praktische oplossing is daarom om de instroom met CFD te simuleren en het grootste deel van de uitstroom met DSMC. Toch wil La Torre in 2010 een DSMC-simulatie gaan uitvoeren voor het hele gebied van de straalpijp. Die simulatie gaat dan wel een maand of twee duren, maar het resultaat kan als goed vergelijkingsmateriaal dienen voor de praktischere en snellere gecombineerde CFD/DSMC-simulaties. Op basis van die vergelijking kan La Torre bepalen waar hij de grens tussen het CFD- en het DSMC-gebied het beste kan leggen voor een optimale verhouding tussen de betrouw-baarheid en de rekenkosten van de simulatie.

Een aantal proefstukken is

doorgezaagd om de vorm

te beoordelen. De SEM-

opname laat zien hoe de

ingang van de straalpijp

mooi is afgerond door het

glas op gecontroleerde

wijze te laten smelten.

Bij de afdeling Multi Scale Physics van de

TU Delft is de stroming in de microstuw-

raket op de computer gesimuleerd om

te onderzoeken hoe de efficiëntie van de

voortstuwing afhangt van de vorm, de

afmetingen en de wandruwheid van de

nozzle.

Deze afbeelding toont doorsnedes van

drie straalpijpen die in grootte verschillen:

3,6 x 7,8 mm; 0,12 x 0,26 mm en 0,036 x

0,078 mm. De nominale stuwkrachten zijn

resp. 1N, 1mN en 0,1 mN. De snelheid van

de gasstroom varieert van Mach 0,3 (sub-

sonisch) bij de inlaat en de keel tot zo’n

Mach 4 (supersonisch) bij het diverge-

rende deel van de straalpijp. De overgang

van sub- naar supersonisch vindt plaats

bij de keel. Hoe breder het gebied met

het hoge Mach-getal aan het einde van de

straalpijp, hoe groter de stuwkracht. Bij

de 1N- straalpijp is het Mach ≥ 4-gebied

nagenoeg zo breed als de wanden, met

slechts hele dunne grenslagen waar de

snelheid wordt afgeremd door wrijving.

Bij de kleine straalpijpen is de verhouding

oppervlak/volume veel groter en is het

Reynolds-getal lager. Als gevolg daarvan

worden de grenslagen veel dikker en

neemt het hogesnelheidgebied beduidend

af. Bij de kleinste straalpijp wordt Mach 4

niets eens meer gehaald.

Een vloeistof kan worden beschouwd als een verzameling deeltjes (mole-

culen) die op elkaar reageren door krachten die op korte en lange afstand

werken. Om het gedrag te kunnen voorspellen moet de beweging van elk

deeltje apart worden berekend (a). Dat is vrij kostbaar omdat een werkelijk

systeem (zelfs op microschaal) een groot aantal deeltjes bevat die allemaal

met elkaar reageren.

Het simuleren van een grote verzameling deeltjes kan worden vereenvou-

digd door deeltjes als groepen te beschouwen en hun interactie op een pro-

babilistische manier te berekenen (Direct Simulation Monte-Carlo), (b).

Wanneer er naar nòg meer deeltjes wordt gekeken, kan men het analyseren

maar beter achterwege laten en proberen in te schatten hoe waarschijnlijk

het is dat een deeltje op een bepaalde plek zal zijn met een bepaalde snel-

heid (Boltzmann-vergelijking). Tenslotte, wanneer de afstand tussen deeltjes

erg klein is in verhouding tot de grootte van het systeem (vast te stellen met

het Knudsen-getal), zijn alleen de macroscopische effecten van de bewe-

gingen interessant (temperatuur, druk, gemiddelde snelheid ...). In dat geval

worden de vloeistofeigenschappen als continue veld beschreven en het

gedrag met Navier-Stokes-vergelijkingen en opgelost met Computational

Fluid Dynamisch (CFD) (c).

De invloed van de ruwheid van de wand op

de doorstroming en de het rendement van

een straalpijp. De bovenkant van de afbeel-

ding toont Mach-getallen voor een straal-

pijp met met een nominaal stuwvermogen

van 1.14 mN en met gladde wanden. Het

onderste deel van de afbeelding laat de

stroming in dezelfde straalpijp zien, maar

met een sinusvormige wandruwheid, met

een golflengte van 10 mm en een ampli-

tude van 4 mm, loodrecht op de stroom-

richting. De wandruwheid veroorzaakt ver-

schillende parasitaire zwakke schokken

(zoals te zien aan de onregelmatigheden

in de contouren van de Mach-getallen) en

leidt tot energie- en rendementverlies.

a) b) c)


Met subsidie van MicroNed werkt dr. Louwerse momenteel aan een lekdichte klep van silicium voor de stuwraket.

De markt opDelfi-n3Xt moet laten zien dat microsatellieten dezelfde functionaliteit kunnen hebben als grote satellieten. Naast het testen van de microvoortstuwing moet Delfi-n3Xt bijvoorbeeld ook aantonen dat hij gegevens met een hoge snelheid naar de aarde kan sturen.

“Samen met Zweden heeft Nederland inmiddels een leidende positie in Europa opgebouwd als het gaat om de voortstu-wing van microsatellieten”, zegt projectleider Berry Sanders.

“Bovendien hopen we ook dat het Nederlandse bedrijfsleven onze kennis en kunde in de toekomst kan verkopen. Zo praten we met het Delftse bedrijf Innovative Solutions In Space over het gebruiksrecht op de microvoortstuwing. Wannneer de afspraken rond zijn, kunnen zij het hele systeem op de markt brengen.”Nu bestaat tien procent van alle satellieten al uit microsatellieten en Sanders denkt dat dit aandeel alleen maar gaat toenemen. “De NASA gebruikt microsatellieten al voor kleine wetenschappelijke experimenten. India lanceert bij veel van hun raketten standaard een vijftal microsatellieten. Hoewel ze grote satellieten niet geheel zullen vervangen, hebben micro-satellieten de toekomst.”

Wanneer de zijwand van

een gelaserd gat onbe-

werkt wordt gelaten,

blijven de ontstane micro-

pilaartjes achter. Door de

zijwand herhaaldelijk met

de laser te beschieten, ver-

dwijnen de micropilaartjes

en blijven er groeven in de

lengterichting over, zoals in

eerdere beelden is te zien. De concentrische ruwheid vermindert het rendement

van de straalpijp.

De invloed die de wandruwheden

in de lengterichting hebben op de

doorstroming en de het rendement

van een straalpijp. Ook hier wordt

een sinusvormige ruwheid met een golflengte

van 10 mm en amplitude van 4 mm gesimuleerd, maar

nu evenwijdig aan de stroomrichting. Er was nauwelijks iets te

merken van de ruwheid in de lengterichting, er treden geen parasi-

taire schokgolfjes op en er is ook hoegenaamd geen rendementverlies.

Het verkleinen van de

nominale stuwkracht, en

dus het verkleinen van de

afmetingen van micro-

straalpijpen, leidt tot

een lager Reynolds-getal

en een hogere opper-

vlakte/volume-verhou-

ding. Het gevolg is dik-

kere grenslagen en een

afnemend rendement van

micro-straalpijpjes. De 1N straalpijp produceert nog 98% van de theoretisch haal-

bare stuwkracht, de 1mN straalpijp haalt nog 93% van de ideale waarde, terwijl de

1 µN straalpijp nog maar 75% haalt.

Hybride simulatie van de

stroming in een micro-straal-

pijp met een nominale stuw-

kracht van 25 µN. In het con-

vergerende deel van de

straalpijp zijn de druk en de

dichtheid van het stuwgas

hoog en als gevolg is de vrije

weglengte van de moleculen erg klein vergeleken met de afmetingen van de straal-

pijp. Dit rechtvaardigt om het gas als een continuüm te beschouwen en de stroming

te simuleren met CFD. In de keel van de straalpijp expandeert het gas via een schok

naar een veel lagere druk en dichtheid. In dit ijle gebied is de vrije weglengte van de

moleculen juist groot in vergelijking met de afmetingen van de straalpijp. We kunnen

het gas nu niet meer als een continuüm beschouwen. Daarom wordt de DSMC-tech-

niek toegepast om de bewegingen van individuele deeltjes te berekenen. De bewe-

gingen van deze rekendeeltjes weerspiegelen nauwkeurig het gedrag van individuele

moleculen in het ijle gas. De CFD-simulaties in het convergerende deel en de DSMC-

simulaties in het divergerende deel van de straalpijp worden gekoppeld in de keel.

Het Engineering Model

van het voortstuwingssy-

steem voor de Delfi-n3Xt

op de scharnierende rail

van 50 milliNewton stuw-

krachtsbank. De testbank

is opgesteld in een aange-

paste industriële vacuüm-

kamer, die door de afde-

ling Aerospace Engineering

van de TU Delft voor dit

doel werd ontwikkeld. Om

de proefnemingen niet telkens te hoeven onderbreken wanneer de koelgas-

generatortjes leegraken, wordt met een flexibele slang (midden) continue

stikstofgas naar de buffertank van het voortstuwingssysteem (rechtsboven)

gevoerd. Hoe hoger de geproduceerde stuwkracht, hoe verder de uitslag van

de rail ter hoogte van de stuwkrachtssensor (bruine doosje links).

Voor nadere informatie: ir. Berry Sanders, e-mail [email protected], of prof.

dr.ir. Chris Kleijn, e-mail [email protected], of dr. Marcus

Louwerse, e-mail [email protected] of ir. Barry Zandbergen, e-mail

[email protected]

Internet: www.n3xt.delfispace.nl

Resultaten van het testmodel van het microvoortstuwingssysteem voorzien

van de connector met de 19 identieke tuitjes. Elk tuitje is ontworpen om een

stuwkracht te genereren van 5mN bij een druk in de buffertank van 2 bar.

De figuur toont de resultaten van een testserie waarin de massastroom

stapsgewijs werd gevarieerd. Ook de resulterende stuwkracht en druk in de

voorraadkamer worden weergegeven. De relatie tussen de massastroom en

het verloop van de druk en de stuwkracht is duidelijk te zien.


Wanneer weerstandjes

zonder de gebruikelijke

soldeerpasta door een

robot op een print-

plaat worden aange-

bracht, verloopt het

plaatsingsproces door

gebrek aan de dem-

pende werking van

de pasta alles behalve

probleemloos. De com-

ponenten gaan stuiter-

en, raken gedeelte-

lijk los en komen op

de verkeerde plaats

terecht.

TNO-project levert voorwerk voor chips stapelen à la BlueBird

Slimme constructies voorkomen stuiterende componenten

Elektronische componenten worden nog altijd keurig in een zacht bedje van soldeerpasta op een

printplaat gedeponeerd om te worden vastgesoldeerd. Met de opkomst van de microsysteemtechnologie

(MST) begon echter het “gedonder”. MST-componenten van uiteenlopende, vaak kwetsbare materialen

kunnen niet tegen de soldeerhitte en moeten daarom bijvoorbeeld met een dunne lijm worden bevestigd.

De componenten worden met een gripper geplaatst en “knallen” dan – bij ontstentenis van de dempende

pasta – keihard op de printplaat om vervolgens alle kanten op te stuiteren. TNO Industrie & Techniek

onderzocht in het kader van een MicroNed-project minutieus het plaatsingsproces en ontwikkelde een

gepatenteerde gripper die MST-componenten subtiel en nauwkeurig kan plaatsen. Machinebouwers

melden zich nu voor een licentie en de opgedane kennis komt mooi van pas bij het BlueBird-project, dat

verdere verdichting van IC’s nastreeft door chips te gaan stapelen. Dit ambitieuze initiatief uit de koker van

TNO moet Nederland aan de top brengen in de back-end van de halfgeleiderindustrie.

door Hans van Eerden

(Fo

to: T

NO

Indu

stri

e en

Tec

hn

iek)


Bij de assemblage van elektronica en microsystemen worden kleine onderdelen met een vacuümgripper van een tray of een rol gepakt, naar de juiste positie getransporteerd, uitgericht en tot slot geplaatst. Onder invloed van de niet-aflatende prijsdruk in de markt voor de professionele en consumenten-elektronica moet dit pick & place-proces in een steeds hoger tempo verlopen.Voor micro-elektronica lukt het allemaal nog wel. De compo-nenten worden vastgesoldeerd met behulp van soldeerpasta – een soort pindakaas, smeuïg maar zonder nootjes – die op de printplaat wordt ‘gezeefdrukt’. Door zijn dempende werking zorgt deze pasta voor een zachte landing en een correcte uitrichting van de componenten bij het plaatsen en solderen. Kortom, de assemblage kan gesmeerd verlopen.

Doelbewust botsenMaar nu de microsysteemtechnologie, die een veel breder terrein bestrijkt en nog altijd sterk in opkomst is. Microsy-stemen zoals een airbagsensor, een microfoontje voor een gehoorapparaat of de focusseerunit voor de camera van een mobiele telefoon bestaan uit componenten van uiteenlopende materialen, zoals bijvoorbeeld silicium, waarvan de breekbare MEMS (Micro Electro Mechanical Systems) worden gemaakt. De lensjes worden van kunstoffen gemaakt en die kunnen vanwege de hitte niet worden gesoldeerd en dus komt vrijwel altijd de lijmspuit in actie. De lijm is meestal echter veel dunner en biedt bijster weinig demping bij het plaatsen van de com-ponenten, die dan keihard met gripper en al op het oppervlak ‘knallen’. Want het alternatief, waarbij de gripper de com-ponenten al boven de printplaat loslaat, werkt ook niet. Dan gaan ze over het oppervlak fladderen en verdwijnt de plaat-singsnauwkeurigheid als sneeuw voor de zon; plaatsing wordt dan een ongecontroleerd proces. Exact op de juiste positie (precies op de printplaat) loslaten, is nog geen haalbare optie, vanwege de onzekerheden in de afmetingen van de compo-nenten en het niet-vlakke (maar op microscopische schaal soms zelfs golvende) oppervlak. Kortom, de logische keuze is om bij plaatsing van componenten te gaan voor doelbewust maar gecontroleerd botsen.Maar dat botsen leidt tot een reactie. Op de printplaat vastge-pind door de gripper, kan het geheel gaan trillen en wanneer ze worden losgelaten, stuiteren de componenten weer omhoog. Door die zogenoemde rebounce gaat de nauwkeurigheid van plaatsing verloren en bovendien kunnen componenten bescha-digd raken.

Impact researchTNO Industrie & Techniek wierp zich op als de partij om dit wilde pick & place-proces te gaan onderzoeken; dit om er beter

Een moderne productielijn bij NeWays in Son en Breugel. Printplaten worden hier

eerst voorzien van soldeerpasta, waarna verschillende pick & place-machines hon-

derden verschillende componenten op de printplaat plaatsen. Een doorloopoven

soldeert de componenten vast. Elk circuit wordt aan het eind volledig doorge-

meten.

De printplaten worden

onder een masker gepo-

sitioneerd, waarna de sol-

deerpasta met een rakel

nauwkeurig wordt aange-

bracht.

De printplaten, inmiddels voorzien van de pasta lopen van links naar rechts door

een pick & place-machine. De voorkant van de machines zijn voorzien van verschil-

lende spoelen met de te plaatsen componenten.

De soldeerpasta vormt dui-

zenden eilandjes die later

de componenten gelei-

dend met de printsporen

zullen verbinden. Bij het

plaatsen van de compo-

nenten levert deze pasta

een zeer welkom bijeffect op, namelijk een dempende werking die de energie van

de plaatsing (‘botsing’) absorbeert. Daarmee wordt nodige schade aan de compo-

nenten voorkomen. Bovendien kon daardoor jarenlang de pick & place-snelheid

ongestraft worden opgevoerd.


>

De pick & place-machine

beschikt over een uitge-

breide bibliotheek met

gegevens over het ont-

werp van de printplaat

en de te plaatsen compo-

nenten. Voor het plaatsen

wordt de positie van de

componenten in het zuig-

mondje met een snelle

camera gecontroleerd. De

positie van de printplaat

werd na het aanvoeren

eenmalig bepaald, waar-

door de robot alle infor-

matie heeft om de onder-

delen nauwkeurig aan te

brengen.

grip op te krijgen en uiteindelijk de MST-assemblage te kunnen verbeteren. Ing. Erik Puik van de afdeling Micro Devices Tech-nology werd projectleider voor het MicroNed-project ‘Impact Research for Micro-Assembly’.Puik: “We waren in de aanloop naar het MicroNed-programma in 2004 al bij TNO begonnen met het in kaart brengen van beschikbare grippertechnologieën en dat leidde tot een heldere definitie van het probleem van het stuiteren. Dat vormde de basis voor de tweede fase van ons onderzoek, het MicroNed-project dat in 2006 van start ging.”

MitrailleurEerst maar eens kijken wat er nu precies gebeurt, was het devies. “We hebben een uitgekiende machine gebouwd met een een-voudige stick (een naald die door vacuümwerking componenten kan oppakken, red.) om het snel plaatsen van componenten na te bootsen. Die machine kon met liefst 60 g (1 g is de valversnel-ling, red.) accelereren en decelereren. Dat was een soort mitrail-leur wanneer je ’m aan het werk zag”, vertelt Puik.Bestaande pick & place-machines waren nooit voor zo’n toepas-sing gebouwd en waren er daarom niet stijf en snel genoeg voor, stelt Puik. “We moesten die zwakheden uit het meetsysteem elimeren om puur het proces zelf te kunnen onderzoeken.”Met een high-speed camera (zwart-wit, voor de hoogste snelheid) werd het plaatsingsproces met ongekende resolutie (een pixelgrootte van zo’n 5 micrometer) in beeld gebracht. De bedrijven die bij het project betrokken waren, zoals Besi en Assembléon (voorheen Philips), hadden ook al wel derge-lijke camera’s gebruikt, weet Puik, maar ze deden dat op hun bestaande machines met de genoemde ‘zwakheden’.Puik: “Zij kregen daarom het proces niet goed in kaart gebracht. Toen wij vertelden waar we precies mee bezig waren, vielen

De componenten worden door toeleveringsbedrijven in een tape op spoelen

aangeleverd. In de toevoersystemen wordt de beschermende folie verwij-

derd. De onderdelen kunnen nu makkelijk door een zuigmondje aan de robot

worden opgepakt.

De robot heeft

beschikking over

meerdere zuig-

mondjes, waarmee

de meest uiteen-

lopende onderdelen

kunnen worden

opgepakt.

De componenten worden

via de snelste weg naar de

plaatsingspositie gebracht.

(Fo

to: A

ssem

bléo

n, V

eldh

ove

n)

(Fo

to: A

ssem

bléo

n, V

eldh

ove

n)

Smart construction prevents rebounce

of gripper and components

Major manufacturers of electrical equipment have been using (very) advanced machines to assemble electrical components on printed circuit boards for decades. Up until a few years ago they’ve been used to smooth landings of the components during the pick & place process. All thanks to the shock absorbing solder paste that is applied to the printed circuit boards at the beginning of the assembly line. By increasing the speed of assembly and with the introduction of fragile (non-)electrical MST-components, such as lenses in mobile telephones and silicon MEMS, the pick & place process ran into trouble. Lenses are not soldered but glued, because of the heat during the soldering. But without the solder paste there is not shock absorption and together with the increased approach and landing of the robots gripper compo-nents have been damaged as they were mounted on the printed circuit boards. As part of a MicroNed-project researchers at TNO Science & Industry in Eindhoven delved into this problem. In order to establish a good understanding of the problem, they built a new gripper of just five components. Using a ultra-high speed cameras during pick & place trials, they managed to come up with a simple solution; all it took were two little springs to stop the stick, as the placement tool is called, from bouncing endlessly. The springs prevent the position of the component to become overconstrained during placement and guarantee a contin-uous contact force between the component and the PCB it is placed on. The little-springs-solution is now covered by two international patents.

For further reference, please contacting. Erik Puik, e-mail [email protected] or ing.Roger Görtzen, e-mail [email protected]

a b s t r a c t


ze bijna van hun stoel van verbazing en waren ze jaloers dat wij op die manier een paar jaar hier in vast konden bijten. Wij konden veel beter zien wat er gebeurde en daardoor betere conclusies trekken.”

Overbepaald en gemangeldUit de spectaculaire beelden van crashende en stuiterende componenten konden twee conclusies worden getrokken. De eerste was dat de positie van een component bij plaatsing tijdelijk overbepaald is wat betreft het aantal vrijheidsgraden. Normaliter wordt de beweging van een object vastgelegd door zes vrijheidsgraden: drie translaties langs loodrecht op elkaar staande assen en drie rotaties om die assen. Bij plaatsing, echter, zit de component nog vast aan de stick/gripper, maar raakt hij tegelijk al de ondergrond. Daardoor worden vrijheids-graden door zowel de gripper als de ondergrond opgelegd, en dat blijkt te veel van het goede. Door deze ‘overkill’ bouwt zich spanning op tussen gripper, component en plaatsingsoppervlak en raakt de toestand van de component juist òngedefinieerd. In combinatie met de trilling die door de plaatsingsimpact wordt veroorzaakt, domineren om-en-om de opgelegde krachten van de gripper dan wel het plaatsingsoppervlak. Het gevolg is dat het onderdeel onvoorspelbaar alle kanten op stuitert – wèg plaatsingsnauwkeurigheid.

Exceptioneel in eenvoudDe oplossing voor de overbepaaldheid werd gevonden door ir. Ronald Plak. Hij kwam als pas afgestudeerde Delftse werktuig-bouwer bij TNO in Eindhoven terecht en rolde in het MicroNed-project. Plak bedacht een passief systeem dat bij contact met de ondergrond vrijheidsgraden bovenin de gripper loslaat.“Bij nadering ligt de gripper nog aan op een aanslag, maar zo gauw er wordt gebotst, komt de gripper vrij van de aanslag. Dan wordt de bovenkant van de gripper, die met een membraan aan de constructie is bevestigd, gedeeltelijk in zijn bewegingen vrijgelaten”, legt Puik uit.Zodra vrijheidsgraden door de grond worden opgelegd, worden ze dus automatisch in de gripper ontkoppeld, met als resultaat een zorgvuldig bepaalde en daardoor nauwkeurige plaatsing.“Een systeem dat exceptioneel is in eenvoud”, zo duidt Erik Puik de uitvinding van Ronald Plak.

Dubbele veer, gehalveerde krachtDe tweede conclusie uit het impactonderzoek was dat de component bij plaatsing kan worden gemangeld tussen gripper en ondergrond. Een belangrijke factor hierbij is de grootte van de botskracht, verklaart Plak. Om namelijk te voorkomen dat de component met gripper na plaatsing direct weer omhoog stuitert door de elasticiteit van de (ingedrukte) printplaat, is de gripper uitgerust met een voorgespannen veer die een aandrukkracht kan leveren. Resultaat van die extra kracht is wel dat de botskracht verdubbelt.Gecompliceerder, aldus Puik, is het verhaal over Plak’s tweede uitvinding, waarmee hij dit probleem van de gemangelde componenten aanpakte. Daarvoor moest de botskracht worden teruggebracht. Voor die kracht zijn enerzijds de vertragings-krachten verantwoordelijk en anderzijds de constructie van de gripper, met de genoemde aandrukveer die tegen een vaste aanslag is aangebracht. Deze constructie kon echter niet voorkomen dat componenten het tijdens de plaatsing zwaar te verduren krijgen. Plak onderzocht allerlei ingewikkelde opties, maar kwam uiteindelijk op het simpele idee om de hierboven genoemde vaste aanslag voor de gripper te vervangen door

... of omdat er helemaal

geel metaal meer aanzit,

zoals aan deze lensjes voor

mobiele telefoons. Lenzen

worden met een product-

specifieke pick & place-

machine gestapeld, om

vervolgens met een water-

dunne lijm capilair gelijmd

te worden.

(Links) Er is een con-

tinue strijd om de

aanvoersnelheid van

componenten te ver-

hogen. Door de steeds

verbeterde presta-

ties van moderne

servosystemen is

hiermee inmiddels

een aanzienlijke tijd-

winst behaald. De

bottleneck nú wordt

gevormd door de

snelheid waarmee

de componenten de

ondergrond naderen.

Deze snelheid is

beperkt omdat de

botskrachten anders

de componenten

beschadigen. (Rechts)

Zou het mogelijk zijn

om de naderingssnel-

heid te verhogen, zou

daarmee een aanzien-

lijke tijdwinst kunnen

worden gerealiseerd.

(Fo

tocr

edit

BO

SCH

)

(Links) Zoals op de openingsfoto is te zien, leidt het ontbreken van een dempende

soldeerpasta tot het opstuiteren van de componenten. Hierdoor gaan de nauw-

keurigheid van zowel de positie als de oriëntatie van de onderdelen tijdens het

plaatsingsproces verloren.

In moderne producten,

zoals auto’s, computers en

zaktelefoons, worden steeds

meer lijmverbindingen toegepast,

omdat de onderdelen niet elektrisch

verbonden hoeven te worden.


>

een tweede veer. Het gevolg daarvan is, zo legt hij uit, dat op het moment dat de gripper naar beneden beweegt de extra aandrukkracht nog niet werkt, maar dat deze langzaam wordt opgebouwd vanaf het moment van botsing.Puik: “De aandrukkracht is dan eerst minimaal en neemt lang-zaam toe. Door fine tunen kun je in de praktijk de botskracht halveren.”Zo wordt het plaatsingsproces een stuk beheerster en dienten-gevolge nauwkeuriger. Ook deze oplossing leidt tot enthousi-asme bij Puik: “Ronald heeft aan de onderkant van de eerste veer nog een veer geplaatst. Door een veertje van zeg 20 cent toe te voegen, kan de kracht op het onderdeel twee keer zo klein worden gemaakt. Je moet energetisch denken om dit te kunnen begrijpen. Dat was behoorlijk geniaal van die jongen.”

OctrooienDe twee slimme oplossingen van Ronald Plak, die inmiddels als system designer mechanics werkt bij CCM (Centre for Concepts in Mechatronics) in Nuenen, zijn met succes getest in een eenvoudige constructie voor een pick & place-module. In een vervolgproject met de Hogeschool Utrecht – Puik is er lector Microsysteemtechnologie/Embedded Systems – is nader onderzoek gedaan. Daarbij hebben studenten proeven gedaan met doorbuiging en trillingen van printplaten onder invloed van een gripper.Inmiddels zijn voor elk van twee vindingen van Plak octrooi-aan-vragen ingediend voor zowel Europa als de Verenigde Staten; kortom, de technologie is marktrijp en klaar om in licentie te worden uitgegeven. Onderhandelingen daarover lopen al met diverse partijen, waaronder een buitenlands bedrijf.Erik Puik schrijft het succes van dit MicroNed-project onder meer toe aan de betrokkenheid in de klankbordcommissie van bedrijven als Besi en Assembléon, die plaatsingsmachines en andere equipment voor de back-end van de halfgeleiderindu-strie bouwen.“Zij waren open in de samenwerking”, zegt Puik, “en ze hebben hun kennis gedeeld. Vooral bij Assembléon waren ze heel open over hun state-of-the-art oplossingen. Als zij dat niet waren geweest, waren wij niet zo ver gekomen.” Ook de subsidie legde gewicht in de schaal.“Zonder MicroNed had dit niet zo’n vlucht genomen. Het was de ‘enabler’ om deze problematiek fatsoenlijk te kunnen aanpakken. De uitkomst van het project, een oplossing voor de snelle en nauwkeurige pick & place van kwetsbare compo-nenten, wordt een essentieel ingrediënt voor BlueBird.”

BlueBirdDat laatste kan ing. Roger Görtzen bevestigen. Hij partici-peerde bij TNO eveneens in het MicroNed-project en was met name betrokken bij het bouwen van de onderzoeksopstelling. Vervolgens was hij betrokken bij het grote BlueBird-project; als founding father wist hij een zeer gevarieerd consortium samen te stellen, met naast TNO onder meer bedrijven als ALSI, Assembléon, ASML, ASMI, Besi en NXP, de drie technische uni-versiteiten Delft, Eindhoven en Twente en het Belgische Imec. Dit project moet een antwoord bieden op de uitdagingen die de voortschrijdende miniaturisatie van IC’s stelt, zoals productie-apparatuur die steeds duurder en complexer wordt (denk aan de lithografiemachines van ASML) en fysische grenzen die zo zoetjes aan in beeld komen. Een ontsnappingsroute binnen de bestaande ‘footprint’ van de micro-elektronica is dan de hoogte ingaan door chips te gaan stapelen (3D stacking). Vooralsnog wordt in het kader van BlueBird gewerkt aan het verbeteren

Base structure Contact point

F impact

F gripper

w

k

F r2

r1

Base

Drive unit

Gripper

Guidance

Guidance

a) b)

Component

TNO-onderzoeker ir. Ronald Plak heeft met behulp van een hogesnelheidscamera

onderzocht of elektronische componenten bij hoge valsnelheid zichzelf bescha-

digen. Dat bleek niet waarneembaar; zelfs na vele malen te zijn beproefd, kon

geen enkele achteruitgang worden geconstateerd.

Met de theoretische bena-

dering, het berekenen

van de Hertze-spanningen

op de contactvlakken van

de componenten en de

ondergrond, kan worden

bepaald dat het onder-

deel uit vrijeval zichzelf

niet beschadigt. Schade

treedt slechts op wan-

neer het onderdeel tussen

zuigmond en ondergrond

wordt gemangeld.

De testopstelling waarmee

de experimenten werden

uitgevoerd. Links een ver-

ticale slede waarmee de

pick & place-machine ver-

sneld kan worden nage-

bootst. Rechts de hoge-

snelheidscamera waarmee

het proces met 16.000

beelden per seconde wordt gefilmd. De testopstelling bereikt ongeveer de tien-

voudige snelheid van een gangbare pick & place-machine.

Onvolmaaktheden in de constructie van pick & place-machines, met name

onevenwijdigheden, leiden tot spanningsopbouw tijdens het plaatsingsproces. De

afwijkingen hebben tot gevolg dat de positie van het onderdeel “overbepaald” is.

X

Z

Y Rx

Rz Ry

Nozzle

Die

Contact Die & Nozzle = 6 Dof Constrained

X

Z

Y Rx

Rz Ry

Substrate

Contact Die & Substrate

= 6 Dof Constrained

Zowel de ondergrond als de zuigmond willen de component een eigen positie

opleggen. In dit krachtenveld gaat de nauwkeurigheid van de positie verloren en

kan het component beschadigd raken.


van bestaande pick & place-machines voor het stapelen van de kwetsbare chips, meldt Görtzen.“Uit het MicroNed-project hebben wij wel lering getrokken en het heeft TNO Industrie & Techniek op de kaart gezet als een speler die er toe doet en op hetzelfde niveau acteert als de andere partners in BlueBird. Het heeft ons bijvoorbeeld binnengebracht bij misschien wel de nummer één in pick & place-machines voor de chip-to-wafer-market, het Oostenrijkse Datacon (onderdeel van Besi, red.). Bij dit project is TNO bezig de die-bonder van Datacon te optimaliseren van 10 micron nauwkeurigheid naar 2,5 micron nauwkeurigheid met behoud van plaatsingssnelheid.”Zo moet het ambitieuze BlueBird-initiatief Nederland aan de top brengen in de back-end van de halfgeleiderindustrie – met dank aan MicroNed.

Gripper and component

Stiffness of contact points

v collision

c) d)

Drive unit

Mgripper vcollisionMgripper

Pretensioned spring

V drive unit, constant

a) b)

Gripper

Drive unit

Pretensioned spring

Component

Guidance

a) b) c)

Door het aanbrengen van een slimme constructie boven de zuigmond, kan worden

voorkomen dat de overbepaaldheid bij het plaatsingsproces leidt tot een krachtop-

bouw op het component. Hierdoor blijft de positie gehandhaaft en neemt de kans

op beschadiging af.

Het stuiteren van het component kan niet worden voorkomen door het elimineren

van de overbepaaldheid. De botsingsenergie leidt tot het terugstuiteren van het

onderdeel.

Door het component aan te drukken met de zwaartekracht of met een veertje,

wordt het onderdeel extra aangedrukt, waardoor het opstuiteren kan worden

voorkomen. Het nadeel is echter dat dit leidt tot een toename van de kracht van

het component.

Door het aanbrengen van een extra veertje (C) aan de onderkant van de stick, kan

de opstuiteren worden voorkomen bij een veel lagere aandrukkracht dan in de

industrie veel toegepaste versie met de enkele veer (B).

X

Z

Y

Rx

RzRy

Membrane

Drive unit

Gripper needle

Component

Base structure

Een dynamische (Adams-)simulatie van de uiteindelijke oplossing tegen het

opstuiteren. De lengteverandering van de veer en de krachtopbouw worden

in deze grafiek gegeven als functie van de tijd. In curve nummer III kan de

uiteindelijke contactkracht worden afgelezen. De extra veer heeft tot een

reductie geleid van 50% ten opzichte van curve II.

Zowel de oplossingen

tegen overbepaaldheid als

het opstuiteren, werden

gerealiseerd in een pro-

totype en op de proefop-

stelling bij hoge snelheid

aan de tand gevoeld. Het

vervolgonderzoek vindt

plaats op de Hogeschool

Utrecht.

De uiteindelijke geoctooieerde oplossing is relatief eenvoudig gebleven.

De totale constructie bestaat uit minder dan tien onderdelen.

Meer informatie: over dit onderwerp, kunt u contact opnemen met

ing. Erik Puik, e-mail [email protected] of met ing.Roger Görtzen, e-mail roger.

[email protected]


Na heel veel discussies, onderhandelingen en aanpassingen is het HTS&M-voorstel op de valreep van 2009 goedgekeurd door de Commissie van Wijzen, de door de overheid aangestelde commissie die al de ingediende voorstellen heeft beoordeeld. Het HTS&M-programma, evenals andere investeringsprojecten voor het versterken van de economische structuur, wordt gefinancierd uit de zogenoemde FES-gelden, die voor 40% van de Nederlandse aardgasbaten komen.

door Henne van Heeren

Aangezien veel van de MicroNed-partners en leden van de gebrui-kersgroepen betrokken zijn geweest bij de aanloop van het HTS&M-project en ook veel van hen in het uiteindelijke programma zullen participeren, wil ik een aantal zaken over de opzet en doelstelling van dit programma op een rijtje zetten.De visie van de opstellers van het HTS&M-voorstel in algemene zin is het creëren van een open en dynamisch ecosysteem voor en door de Nederlandse MicroNano-community. Zo’n open ecosysteem, zo is de ervaring met MicroNed, biedt de deelnemers de gelegenheid tot het opzetten van nieuwe samenwerkingsverbanden. Een groot en attrac-tief programma is echter ook essentieel voor het kunnen aantrekken van toptalent. Tenslotte zal de samenwerking tussen bedrijven en academica, een belangrijk aspect van HTS&M, leiden tot absorptie en gebruik van verworven kennis en het in contact brengen van hoog opgeleid nieuw talent met de Nederlandse industrie.In meer specifieke zin beoogt het programma de marktpositie van de industriële deelnemers te versterken en alle deelnemende partijen de kans te geven te excelleren in micro- en nanotechnologie.

Maatschappijgerichte thema’sInhoudelijk gezien wil het programma technologieën ontwikkelen die bijdragen aan het oplossen van bepaalde maatschappelijke problemen, gebruikmakend van de typische nano gerelateerde tech-nologieën: nanomaterials, bionano en nanofabrication, maar ook meer electronica gerichte velden als High Tech Systems & Sensors en “More then Moore”. Deze staan dan ten dienste van maat-schappijgerichte onderwerpen als energie, nanomedicijnen, schoon water en voedsel.Vanuit deze verbanden zijn de volgende tien thema’s gedefi-nieerd:• Risk analysis • Energy • Nanomedicine & Integrated MicroSystems• Clean Water • Food • Beyond Moore • Nanomaterials Bio-nano • Nanofabrication • Sensors & Actuators

Elk van deze thema’s is weer onderverdeeld in programma’s die meer zijn toegespitst, zo is ‘Nanofabrication’ onderverdeeld in ‘Nano-inspection & characterization’ en ‘Nano patterning’ en het thema ‘Sensors & actuators’ in ‘Systems & Packaging’, ‘Micro nozzles’ en ‘Microdevices for chemical processing’.

‘Who’s Who’De deelnemerslijst leest als een ‘Who’s Who’ van de Nederlandse MicroNano-community. In een kleine selectie uit de meer dan 100 deelnemers, zien we naast 3 TU’s en de Universiteit van Wageningen, vrijwel alle Nederlandse universteiten participeren, tezamen met een keur aan (top)instituten zoals TNO, Wetsus, Amolf etc. De grote Nederlandse industrieën zijn stevig vertegenwoordigd, met o.a. Phi-lips, Shell, DSM, FrieslandCampina en Océ. Het HTS&M-consortium prijst zich ook gelukkig met een stevig contingent MKB-ers, waar-onder de MicroNed-partners Micronit, LioniX, Demcon, Bronkhorst en Nanomi. Niet-onvermeld mag blijven dat het programma ook nadrukkelijk banden wil aangaan met andere programma’s en plat-formen; niet alleen in Nederland, maar ook op Europees niveau.Bij grote projecten horen grote bedragen: het programma is begroot op 250 M€, de toegekende subsidie bedraagt 125 M€. Gedurende de looptijd van het programma zullen er vele honderden wetenschap-pers, al dan niet in opleiding, technici en projectleiders actief bij betrokken zijn.

Het HTS&M-programma zal worden aangestuurd door een Executive Board met 7 leden, die zal worden ondersteund door een program-mabureau. Het bureau zal verantwoordelijk zijn voor de informatie van en naar de deelnemers en als zodanig fungeren als de ogen, oren en handen van de Board. Een Supervisory Board en een Advisory Council zullen de voortgang nauwlettend in de gaten houden. Een belangrijk hulpmiddel om de vinger aan de pols te houden zijn de Key Performance Indicatoren. Daarvan zijn er zestien verschil-lende gedefinieerd, reikend van specifiek economische KPI’s (zoals octrooien) tot KPI’s die gericht zijn op kennisverspreiding, zoals het opleiden van onderzoekers, het creëren van promotieplaatsen en het organiseren van workshops.

De positionering van het HTS&M-programma in het onderzoeksveld van Nederland.

In het volgende nummer van MicroMegazine meer nieuws over de voortgang van HTS&M.

HTS&M-Programma van start

Top instituteFood &

Nutrition/Nano4Vitality

EUnanomedicine

CTMM/BMM

Top institutePharma

MicroNedMicroNed

Holst Center

Point-1

STW

FOM

NanoNed

ENIAC

M2IDPI

fund

amen

tals

electronics physics materials energy health food water

disciplines

appl

ied


door Philip Broos

Wat is het hebbedingetje?Het is een ‘doosje’ met een experimenteer opstelling om micro-techniek visueel te maken voor studenten werktuigbouwkunde en om hen ervaring mee op te laten doen met microsystemen. Het is specifiek ontwikkeld voor het onderwijs; daarbuiten heeft dit systeem zelf geen functie, waardoor het compromisloos kon worden ontworpen.

Wie is de gebruiker?Ir. Sander Paalvast (1974), promovendus bij de afdeling Precision & Microsystems Engineering van de faculteit 3mE van de TU Delft. Na het behalen van zijn VWO-diploma aan de Nassau Scholengemeen-schap in Breda, vertrok hij voor een studie werktuigbouwkunde naar Delft.“Werktuigbouw was mijn eerste keus, m’n tweede keus was elektrotechniek. Ik wilde de mechatronica ingaan, bijvoorbeeld de kant van de robotica. Toen ik jong was, stond er een keer een artikel in de KIJK over een trollenkoning in de Efte-ling, die niet alleen zijn gebaren kon aanpassen aan zijn verhaal, maar ook menselijke gelaatsuitdruk-kingen nadoen: vrolijke, boos of teleurge-steld. Deze animatierobot was onderdeel van de omgeving geworden; het was niet zomaar een dom apparaat”, vertelt Paalvast. “Ik was vijftien of zestien toen ik dat las. Dit ligt ook heel dicht bij de elektrotechniek, maar het werd dus werk-tuigbouwkunde, vanwege de beweging. Het is net iets slimmer; je ziet het bijvoorbeeld in auto’s die steeds slimmer worden en in nieuwe machines: nokken zijn ver-dwenen, nu gebeurt het op basis van sensoren met terugkoppeling.”

“Ik ben in 2005 begonnen met promotie-onderzoek en verwacht half april klaar te zijn. Ik ben een thermische microactuator aan het maken om de kop van harde schijven nauwkeuriger te kunnen positioneren. Het punt is dat de huidige harddisks nu maar één arm hebben en nu willen we er een tweede (kleine) arm aan toe te voegen. Het is vergelijkbaar met een polsgewricht die je hand nauw-keuriger laat bewegen dan de arm alleen. Het idee bestaat al heel lang, want het wordt al lang toegepast in CD-spelers. Vanwege de kosten wordt het tot nog toe niet toegepast in harde schijven. In een CD-speler heb je verwisselbare media met veel variatie (afwijking) waardoor het extra gewricht eerder noodzakelijk was. Bovendien zijn bij een harde schijf de sporen met data preciezer en was dat extra gewricht tot nog toe niet nodig. De technologie is voortge-schreden en de opslagcapaciteit is groter worden. Om te concur-reren met de Flash Drives is het noodzakelijk dat de HD’s blijven groeien tegen dezelfde kosten. Dus moet straks een 10 terabyte gemaakt kunnen worden tegen de kosten van nu één terabyte.”Het onderzoek van Paalvast, wordt ondersteund door de STW en is een samenwerkingsverband tussen de Delftse faculteiten werktuig-bouwkunde en elektrotechniek (DIMES).

Waarom is het apparaatje belangrijk voor je?“Het is een mooie handzame demonstrator van een

techniek die nog in opkomst is en ik heb de chip zelf ont-worpen, samen met Marc van der Velden, die nu de opleiding

tot octrooigemachtigde doet. We deden dat in samenwerking met collega’s van PME en DIMES. We kregen ook veel ondersteuning van de IC Processing-groep. Het is in principe een wijzer op een microchip die wordt aangedreven door twee balkjes, die uitzetten wanneer ze elektrisch worden verwarmd. De balkjes zijn excentrisch geplaatst, zodat bij uitzetting van beide balkjes de naald één kant op wordt geduwd. Het is gebaseerd op een systeem dat eerder werd gebruikt om materiaalspanningen te meten, als een passive low-cost-methode. Je hebt niet meer dan een microscoop nodig om het te zien.”Uiteindelijk is het een complete chip geworden en heeft het meer dan een jaar gekost om te ontwerpen en om het gemaakt te krijgen. Het was niet de bedoeling om het nieuwste van het nieuwste te maken, maar het moest aansluiten bij de ontwikkelingen die nu plaatsvinden op het gebied van microtechniek. Het ging niet om de fabricage, maar om de toepassingen van micromechanica te laten zien. De chip is uiteindelijk bij DIMES gemaakt. Er zijn twee versies, dat wil zeggen er zijn twee generaties gemaakt. Op elke chip zitten drie actuatoren met verschillende aandrijvingen; de expansiebalkjes verschillen in dikte of in lengte. Via de selectorknop kan er tussen de drie actuatoren worden gewisseld.”

Wat deed het je?“Toen het voor het eerst bewoog... tja, hoe moet ik het uitleggen...... het is de beloning van elke ontwerper..... de kick dat het werkt...”, vertelt Paalvast met een tevreden blik.“Je moet je beseffen dat deze actuator in staat is 100 keer per seconde op te warmen en af te koelen van 100 graden tot kamer-

Hebbedingetje


MicroNed mededelingen

Werkpakket-bijeenkomstenDe bijeenkomsten zijn besloten. Aanmelding via Mw. Lucienne Dado, telefoon (015) 278 4357, e-mail [email protected] of bij de desbetreffende werkpakketleider is verplicht in verband met geheimhouding.

2C bijeenkomst11 februari, TU DelftInfo: [email protected]

2G bijeenkomst23 maart, TU EindhovenInfo: [email protected]

4AB bijeenkomst17 juni, TU DelftInfo: [email protected]

4C bijeenkomst18 juni, TU DelftInfo: [email protected]

4D bijeenkomst16 september, Universiteit TwenteInfo: [email protected]

PublicatieprocedureMw. Marianne Stolker is weer het centrale contactpunt voor de procedure voor publicatietoestemming. Gaarne haar 15 werkdagen voor de publicatiedatum een kopie te sturen van het vrij te geven materiaal. Mw. Stolker zal zorg dragen voor verspreiding binnen het betreffende werkpakket. Ze is bereikbaar viae-mail [email protected].

Rapportage 2009De rapportageronde 2009 is van start gegaan. De projectleiders krijgen als eerste het verzoek om de projectoutput over 2009 vast te leggen. Ook wanneer het project reeds in 2009 is gestopt, kan er output zijn die moet worden gerapporteerd. De financiële activiteitenplanning wordt net als voorgaand jaar meegestuurd in de rapportageronde. Dit vormt de basis voor het voorschotverzoek 2010.

Tevens is er dit jaar het additionele verzoek om de MicroNed AIOs en Postdocs volledig in kaart te brengen. De geplande vertrekdata en (indien bekend) de nieuwe werkgever geven inzicht in het human capital-verloop van MicroNed.

SponsorverzoekenMicroNed heeft twee sponsorverzoeken gehonoreerd met ieder 1000 Euro. De winnende voorstellen zijn een studiereis van de Simon Stevin Studievereniging van de TU Eindhoven naar Grenoble, en een studiereis van Physics & Physical Chemistry of Foods van Wageningen naar Japan. Geïllustreerde reisverslagen van beide studiereizen zullen later in MicroMegazine worden gepubliceerd.

Verlenging MicroNedDe verlenging van MicroNed is vastgesteld op 30 september 2011. Dit betekent dat declaraties tot en met die datum geaccepteerd zullen worden.Een accountantscontrole op de projectadministratie dient voor 1 november 2011 ontvangen te zijn door het MicroNed bureau. Partners die eerder de accountantscontrole aan willen leveren worden daartoe in 2010 nog in de gelegenheid gesteld (nadere informatie hierover volgt).

Egalisatiefonds MicroNedMicroNed zal begin 2010 het egalisatiefonds uitkeren aan de partners. Het fonds was bij aanvang van het programma ingesteld om eventuele voorschotbeperkingen op te kunnen vangen. De bestaansreden voor het egalisatiefonds is anno 2010 komen te vervallen. Het manegement team van MicroNed heeft in haar vergadering van december 2009 derhalve besloten om de ingehouden fondsen uit te keren aan de rechthebbenden.

PartnerontwikkelingPer amendement 5 zullen de volgende partners toetreden tot het MicroNed-consortium: • Femto Engeneering B.V.• Van Hoorn Hardmetaal B.V.• Philips Consumer Lifestyle

De volgende partner zal uittreden uit MicroNed:• Ibis Technologies B.V.

Congressen / Symposia / Beurzen

Workshop on Smart Integrated Biodiagnostic Systems for Healthcare 201025 maartAnalyticaMünchen, Duitslandwww.smarthealthip.com

MicroMachine Summit 201028-30 aprilDortmund, Duitslandhttp://www.mms10.org

Euspen 2010 31 mei t/m 3 juniAula Congres Centrum, TU Delfthttp://www.euspen.org Eurohaptics 20108 t/m 19 juniVrije Universiteit, Amsterdamwww.eurohaptics2010.org

GasMEMS2nd Workshop + Summer School5 t/m 10 juliLes Embiez, Francehttp://www.gasmems.eu

COMS 201022 t/m 26 augustusAlbuquerque, New Mexico, USAwww.mancef.org/COMS2010 Micro- & Nano-Engineering Conference 201019 t/m 22 septemberGenda, Italië www.mne2010.org Het Instrument 2010(met MicroNano-paviljoen)28 sept t/m 1 oktAmsterdam RAIwww.hetinstrument.nl MicroNano Conference 201017 en 18 novemberDe Waaier, Universiteit Twentewww.micronanoconference.nl

uTAS 20103 t/m 7 oktoberGroningenhttp://www.microtas10.org/

MNT for space13 t/m 17 september 2010ESA ESTEC, Noordwijkhttp://www.esa.int/esaCP/index.html

MicroNed

temperatuur. Je zit in pakweg 10 milliseconden op 95% van z’n slag van maximaal 10 micrometer.”Wanneer ik de studenten er mee zie werken, geeft dat het een gevoel van trots, zeker. En ook een beetje huiver, want je hoopt dat de studenten hem niet mollen. De stroomdraadjes die naar het verwarmingselementje liepen in de eerste versie gingen kapot aan elektromigratie. Wanneer er zoveel stroom door een draadje gaat, worden de atomen uit hun rooster gedrukt, waardoor er een heel hoge weerstand werd opgebouwd. De aannames uit de wereld van de microchips die we hadden gedaan, gingen in ons geval niet, want wij werken met hogere temperaturen. De actuatoren die ik bij mijn onderzoek gebruik, zijn tien maal sneller en de spanning die wordt gebruikt, is gelijk, maar de stroomdichtheid (het vermogen – red) die daar wordt gebruikt, is meer dan tien keer groter. Ik heb veel baat

bij de kennis die ik toen heb opgedaan. Ik heb er vervolgens gericht onderzoek en metingen naar gedaan. De bijtaak heeft resultaten opgeleverd voor de hoofdtaak. Wat voor mij telt is dat we studenten hebben kunnen laten zien dat we bezig zijn met voortschrijdend inzicht; we zijn nog steeds bezig te ontdekken in de microtechniek. Dat maakt deze techniek zo spannend en boeiend.”

Wat kost het?Paalvast: “Het heeft ons € 75.000 gekost voor 15 kastjes en bij-behorende meetapparatuur. De ontwikkelingskosten alleen voor het kastje zijn ongeveer €30.000 en daaraan is bijgedragen door de faculteit 3mE en het Delft Center for Mechatronics and Micro-systems.”

26 MegazineMicroMicro Megazine – 2010 no3MegazineMicroMicro Megazine – 2010 no3

Na twee keer in Eden te zijn gehouden werd de MicroNano-conferentie deze keer in de Aula van de TU Delft gehouden.

De conferentie, die industriële en wetenschappelijke beoefenaars van micro- en nanotechnologie in Nederland beoogt

samen te brengen, heeft inmiddels een vaste plaats veroverd in de Nederlandse high-tech wereld. Dat werd wel

bewezen door de aanwezigheid van een record aantal bezoekers en standhouders, waaronder een opvallend groot

aantal deelnemers uit het bedrijfsleven. Het geroezemoes in de pauzes bevestigde de indruk dat de gelegenheid om

te netwerken voor veel deelnemers even belangrijk was als de aangeboden wetenschappelijke ontwikkelingen. In dat

opzicht hadden ook de standhouders zeker niet te klagen, de stands werden druk bezocht.

door Henne van Heeren

MicrofluïdicaDe conferentie werd afgetrapt met drie plenaire lezingen vanuit de groot-industrie (Jos Benschop van ASML), de overheid (Nicholas Deliyanakis, Europese Commissie) en de universitaire wereld (Nils Petersen, National Research Council Canada). Samen onder-streepten zij het belang van dit werkveld en schetsten zij de toe-komst voor de micro- en nanotechnologie in een breed kader. Een belangrijk deel van de conferentie was ingeruimd voor een serie presentaties over technologische ontwikkelingen en toepassingen in de microfluïdica. Opvallend bleek de breedte waarin deze tech-

nologie wordt toegepast: van chemische reactoren tot medische diagnostiek.Naast presentaties over praktische toepassingen kwam ook de meer fundamentele wetenschap aan bod in de vorm van lezingen over, onder meer, qubits en spinelectronics.

De tweede dag werd ingeleid door Tim Harper van Scientifica die wetenschappers en mensen uit het bedrijfsleven wees op valkuilen rond nanotechnologie, die vooral optreden wanneer technolo-gieontwikkeling een hype dreigt te worden. Wilhelm Huck van de

Foto

’s B

ram

Sae

ys (w

ww

.sae

ys.n

l)

MicroNanoConferentie 2009

27MegazineMicroMicro Megazine – 2010 no3MegazineMicroMicro Megazine – 2010 no3

Universiteit van Cambridge bracht de aanwezigen terug naar de microwereld met een lezing over de rol van microdruppels voor lifescience toepassingen. Dit sloot weer keurig aan bij de volgende lezingen, namelijk waar aspecten van nano- en microfluïdica werden belicht vanuit het bedrijfsleven en de academia.

Nieuwe thema’sEr werd speciale aandacht geschonken aan maatschappelijke thema’s waar de nieuwe technologieën een bijdrage zouden kunnen leveren, in de eerste plaats bij medisch thema’s. Tuberculose zou beter en sneller kunnen worden gediagnosticeerd met microtechno-logie, zoals Jules Beekwilder uit Wageningen uitlegde. Wanneer je de aanwezigheid van heel kleine hoeveelheden anor-ganisch of organisch materiaal wil aantonen, staan er twee wegen open zo bleek. Òf je maakt een heel gevoelig nanotechnologisch instrument, zoals Jim Flach (Veeco) en Marcel Zevenbergen (TU Delft) voorstelden, òf je steekt je energie in het concentreren van je monster met behulp van een microfilter, zoals Marco Matteucci (TU Eindhoven) liet zien.Capillaire elektroforese, een fysisch proces waarbij geladen deeltjes door een medium bewegen onder invloed van een elektrische veld, komt in toenemende mate in de belangstelling te staan. Evert van de Werfhorst (Capilix) presenteerde de tweede Nederlandse start-up gebaseerd op deze techniek. Capilex richt zich op het bewaken van de kwaliteit van water.

MedicijnenIn de diverse sessies Electronic Materials & Devices werden verschil-lende routes voor de halfgeleiderindustrie geschetst. Hierbij werden niet alleen technieken besproken om het uiterste uit de lithografie te halen (Sven van Haver, TU Delft), ook quantum computing werd voor het voetlicht gebracht. Een interessante spin-off van het Delftse werk aan electron-beam-lithografie betreft het toepassen van deze techniek voor de rasterelektronenmicroscoop (SEM).Ook voedselingrediënten kunnen worden ontworpen, betoogde Francisco Rossier Miranda van de Wageningen UR.Met nano-fibrillen kunnen kleine bolletjes worden verstevigd, waar-door toepassingen zoals het op gecontroleerde wijze loslaten van medicijnen in het lichaam mogelijk wordt.

Dat nanodeeltjes door mens en dier (al dan niet gepland) kunnen worden opgenomen, was al bekend en soms met kwalijke gevolgen. Holger Gruel van Philips legde uit dat nanodeeltjes echter ook nuttig kunnen worden toegepast. Dit is vooral interessant voor toepassingen waar het nuttige effect samen gaat met bijwerkingen, bijvoorbeeld door te grote concentraties van de werkzame stof of door werking op de verkeerde plaats, zoals bij chemo- of radio-therapie. Het nut van dergelijke toepassingen ontslaat je echter niet van je verplichting om alert te zijn en te blijven voor de gevaren,

betoogde Arie Rip van de Universiteit Twente. In de druk bezochte en uitgelopen lezing met een door Rip geleide discussie, werd het nut van een open dialoog tussen alle partijen onderstreept.De conferentie werd afgesloten met een presentatie van de kersverse Spinoza-prijswinnaar professor Albert van den Berg uit Twente. Zijn verhaal, hoe kon het ook anders, ging in op lab-on-chip-toepassingen.

MicroNano Conferentie 2010

Inmiddels zijn de voorbereidingen voor de volgende conferentie al weer begonnen. Deze bijeenkomst zal worden gehouden 17 en 18 november bij de Universiteit Enschede. Daar zullen MicroNed en NanoNed het stokje overdragen aan het HTS&M-platform, dat samen met MinacNed na 2010 de conferentie zal verzorgen.

MicroNanoConferentie 2009

De startersstand van MicroNed met de bedrijven Flowid en Innosieve Diagnostics.


De tweejaarlijkse AIO-studiereis van de groep Organische Chemie van de Universiteit Wageningen vorig jaar met als

reisdoelen Beijing en Shanghai, duurde van 9 mei tot 23 mei 2009. De studiereis, die om de twee jaar door de AIO’s

zelf wordt georganiseerd met steeds een andere bestemming, heeft als doel kennis te maken met onderzoek en

wetenschappers aan universiteiten, onderzoeksinstituten en bedrijven in het buitenland. De groep werd begeleid door

prof. dr. Han Zuilhof en prof. dr. Cees van Rijn. Er was voor China gekozen omdat hier steeds meer excellent en interessant

onderzoek wordt verricht. Daarnaast was het interessant te zien op welke manier onderwijs en onderzoek in China wordt

bedreven, zeker omdat dat land een steeds belangrijkere rol in de economische en onderzoekswereld speelt.

door Loes Ruizendaal

Bezoek Wageningse AIO’s aan Academia China

De eerste week, in Beijing, werden de Peking University, het Institute of Chemistry Chinese Academy of Sciences (ICCAS), de Tsinghua University en de Beijing University of Chemical Technology bezocht. De bezochte universiteiten en instituten behoren tot de top van China en staan ook wereldwijd hoog aangeschreven. Zo heeft het ICCAS nog niet zo lang geleden een volledig nummer van Advanced Materials mogen vullen met haar onderzoeksresultaten. Tijdens de bezoeken hebben Wageningse AIO’s en de bezochte groepen over en weer lezingen gegeven tijdens een soort van ‘minisymposia’. Verder waren er rondleidingen door de verschillende laboratoria en was er tijdens de pauzes en lunches veel persoonlijk contact met de studenten en de promovendi van de bezochte onderzoeksgroepen.

NanobloemenHet College of Chemistry & Molecular Engineering (CC&ME) van Peking University is een van de oudste faculteiten van de Chinese universiteiten. Hier hebben de AIO’s lezingen bijgewoond van de groep van prof. dr. Jian Pei en prof. dr. Yawen Zhang, waaronder een lezing over de synthese van organische nanostructuren in poly-meren waarbij ‘nanobloemen’ worden gevormd. Deze structuren zijn mogelijk van toepassing in zonnecellen, optische sensors en biosensors. In de groep van prof. dr. Haichao Liu worden de nieuwe toepassingen voor glycerol onderzocht, het belangrijkste bijproduct van het productieproces van biodiesel. Hierbij wordt vooral gekeken naar de selectieve hydrogenering door een Cu-ZnO-katalysator.

De man bij de ingang van de Tsinghua

Universiteit hangt elke nacht zijn

kooien met nachtegalen in de bomen

van de vroegere keizerlijke tuin (nu

deel van de campus).

Foto: Philip Broos


Bezoek Wageningse AIO’s aan Academia China

Het Institute of Chemistry van de Chinese Academie van Weten-schappen (ICCAS) is een van de meest succesvolle researchinstituten in de wereld. Het omvat onder andere drie ‘State Key Laboratories’ en vijf ‘Chinese Academy of Sciences Key Laboratories’. Prof. dr. Li Junbai, geeft leiding aan het onderzoek naar de synthese van microcapsules van eiwitten. Hierin is onder meer ATP-synthase, een enzym dat adenosine trifosfaat maakt, in de wand van de capsule gebonden. Dit is op zo’n manier gedaan, dat er nog steeds enzym-activiteit mogelijk is. Daarnaast zijn microcapsules gemaakt die onder invloed van glucose en andere (specifieke) omstandigheden insuline vrijgeven.

Keizerlijke tuinDe Tsinghua Universiteit is gesticht in Beijing op het terrein van een voormalig keizerlijke tuin. Delen daarvan zijn bewaard gebleven en nu nog terug te vinden in de prachtige campusomgeving. De Wage-ningers werden op de faculteit scheikunde door prof. dr. Yanmei Li onthaald op een lezing over de inhibitie van amyloid peptiden. De peptiden spelen een belangrijke rol in de ontwikkeling van de ziekte van Alzheimer. De onderzoekers hebben succes met het voorkomen van de vorming van de amyloid peptide aggregaten, verantwoorde-lijk voor de ziekteontwikkeling.Bij de vestiging in Beijing van de Duitse fabrikant Brüker, was bij de rondleiding een groot aantal demonstratiemachines te zien op het gebied van NMR, X-ray, UV-Vis en massaspectrometrie. Behalve voor het over de streep trekken van potentiële klanten, worden de machines ook gebruikt om operators te instrueren om het maximale uit de machines te halen.

Gemalen kippenOp de laatste dag in Beijing bezochten de Wageningers onder meer het College of Materials Science & Engineering, onderdeel van de Beijing University of Chemical Technology (BUCT). De groep van prof. dr. Wantai Yang doet ook onderzoek naar polymeren die onder specifieke omstandigheden ‘nanobloemen’ vormen. In het College of Life Sciences & Technology op dezelfde universiteit ligt het accent op bio-energie. Een van hun speerpunten betreft de immobilisatie van het enzym CalB, toe te passen in biodiesel.Het grootste bedrijf op het gebied van Chinese traditionele

medicijnen is Ton Reng Tang. De AIO’s kregen tijdens hun bezoek een introductie in het gebruik van deze medicijnen en de steeds uitgebreidere (chemische) zoektocht naar de specifieke werkzame stoffen en de kwaliteit van het product. Bij de samenstelling van de medicijnen gaat het vaak om eeuwenoude recepten, die binnen het bedrijf nog steeds worden gebruikt. Een succesvol medicijn dat momenteel wordt geproduceerd is de black chicken pill waarvoor hele kippen worden gemalen en verwerkt tot een pil.

NachttreinNa 12 uur in de nachttrein werden de Wageningers op de Shanghai Normal University ontvangen. Later werden ook het Shanghai Institute of Organic Chemistry (SIOC) en de Fudan University bezocht. Het bezoek aan de Shanghai Normal University bestond uit een rondleiding langs laboratoria en bijwonen van lezingen bij de groep van prof. dr. Hexing Li over de katalytische verwijdering van organische vervuilingen in het milieu. Daarbij wordt gekeken naar de verbetering van huidige katalysatoren, zoals titaniumoxide, mesopo-reus silica en Ru-P amorfe katalysatoren.

Het Shanghai Institute of Organic Chemistry (SIOC) is een belangrijk instituut op het gebied van organische chemie in China. Prof. dr. Zhan-Ting Li, van de Physical Organic Chemistry vertelde over intra-moleculaire waterstofbindingen en over de toepassing hiervan in moleculaire capsules en een nieuwe route om stabiele, omgekeerde vesicles (blaasjes) te maken in apolaire organische oplosmiddelen. Zijn collega, prof. dr. Daoben Zhu, werkt aan organische field-effect-transistoren en presenteerde een transistor gebaseerd op pyrro-lobisbenzothiazine. Dit materiaal is stabieler dan het gebruikelijke pentacene. Het laatste bezoek was aan prof. dr. Ming Jiang van het Dept. of Macromolecule Science van de Fudan University, een van China’s oudste universiteiten. We hebben hier de groep van prof. Ming Jiang van het Dept. of Macromolecule Science bezocht. Tot 1999 was het onderzoek gericht op drie focusgebieden: mengbaarheid en synthese van blok copolymeren, structuur, functie en samenstel-ling van polymeer hybride nanodeeltjes en de self-assembly van polysaccharides. Op dit moment is het onderzoek gericht op self-

AIO Jerome Paques presenteert Wagenings onderzoek op het ICCAS.

Groepsfoto van Wageningse AIO’s en AIO’s van het ICCAS. >

30 MegazineMicroMicro Megazine – 2010 no3MegazineMicroMicro Megazine – 2010 no3

assembly van cyclodextrinepolymeren in fibers en vesicles, waarbij bijvoorbeeld wordt gekeken naar polyethyleen glycol (PEG) en alpha-cyclodextrine die pseudo-rotaxanen vormen. Daarnaast wordt er onderzoek gedaan naar het genereren van Janus-deeltjes en de self-assembly van de eiwitten ovalbumin en ovotransferrin.

ToelatingsexamenEen belangrijk onderdeel van de reis was de interactie tussen de deelnemers van de studiereis en de Chinese AIO’s en studenten. Er werd wederzijds openhartig gesproken over alle aspecten van onderzoeken en hoe de wetenschappelijke wereld georganiseerd is. Opvallend was dat de meeste studenten die we spraken zelfs nog nooit buiten hun geboortestad waren geweest. Voor velen was het ook de eerste keer dat ze met een niet-Chinees Engels spraken. Slechts weinig studenten leken de ambitie te hebben om buiten China te gaan promoveren. Dit lijkt merkwaardig, gezien de hoeveel-heid AIO-sollicitaties uit China op vacatures in Nederland, maar dat kan worden verklaard uit het enorme aantal studenten in China.De verschillen tussen de universiteiten is soms erg groot en de compe-titie om op een topuniversiteit te studeren is erg sterk. Voor bijvoor-beeld Peking University, de nummer 1 universiteit van China genoemd, moet een toelatingsexamen worden afgelegd. Van de één miljoen (!) aanmeldingen worden er uiteindelijk 100 studenten toegelaten. De bezochte universiteitsgroepen zijn over het algemeen klein met meestal niet meer dan 5 tot 6 AIO’s per groep. Dit zorgt voor relatief intensieve begeleiding. Daarnaast worden masterstudenten geacht ook zelf een onderzoeksvoorstel te schrijven en daarna zelf uit te voeren; dit kan dan ook de gehele masterperiode duren. Hierbij wordt meestal minstens een publicatie verwacht in een gerenommeerd tijdschrift. Zeker wanneer de student nog een promotie-onderzoek ambieert, lijkt dit essentieel te zijn. Voor de onderzoeksgroepen en instituten zelf wordt publiceren ook een steeds belangrijker punt, en dan voornamelijk om het onderzoek te publiceren in internationale wetenschappelijke tijdschriften met een hoge impact factor.

Onveilige laboratoriaHet onderzoek aan de bezochte universiteiten en instituten is voor-namelijk fundamenteel gericht, en er is (nog) niet veel samenwer-king met bedrijven. Het budget voor onderzoek komt voornamelijk uit de eerste geldstroom en is voor Nederlandse begrippen relatief laag. Op de topinstituten en topuniversiteiten worden lange dagen gemaakt, zij het niet altijd even efficiënt. Daarnaast is er een groot verschil tussen de verschillende universiteiten en instituten wat betreft de veiligheidsregels. Sommige laboratoria zijn naar Neder-landse maatstaven zeer onveilig ingericht, met bijvoorbeeld slechts enkele zuurkasten voor het hele laboratorium. En dat terwijl er toch veel gevaarlijke reacties worden uitgevoerd op gewone labtafels zonder verdere veiligheidsmaatregelen. Er wordt vaak ook zonder labjas of veiligheidsbril gewerkt, maar alleen met een mondkapje. Daarnaast hebben we ook laboratoria gezien met de nieuwste inrichting, zuurkasten en apparatuur.De groep kijkt terug op een geslaagde reis, waarin veel is geleerd op wetenschappelijk gebied en kennis is genomen van de gevarieerde omstandigheden en de manieren waarop in China momenteel onderzoek wordt bedreven.

vervolg AIO-reis naar China

De verschillen in veiligheid tussen

de laboratoria bij ICCAS (links) en

bij de Shanghai Normal University

zijn vrij groot.

De campus van Tsinghua University bevindt zich gedeeltelijk op een keizerlijke tuin.

31MegazineMicroMicro Megazine – 2010 no3MegazineMicroMicro Megazine – 2010 no3

Aangenaam en nuttig

Begin 2006 raakte ik toevallig betrokken bij MicroNed. Ik had toen al 22 jaar gewerkt aan onderwerpen uit de geavanceerde silicium IC technologie. Moore’s scha-lingswet bleek steeds weer de stap naar de volgende procesgeneratie te overleven. Collega’s werkten aan MOS-transistoren met fysieke lengtematen van 20 – 25 nanometer. En 16 nanometer en kleiner stonden al op de agenda. Dat was pas nanotechnologie! Zoiets lukt alleen maar in grootschalige samenwerkingsverbanden met een duidelijke focus, gedreven door de breed gedragen ITRS-roadmap (International Technology Roadmap for Semiconductors). De ervaring leert dat introductie van tè veel nieuwe materialen, methoden, etc. tegelijkertijd, hier zelden tot succes leidt. Het gaat om de juiste stappen op het juiste moment. Alles moet perfect bij elkaar passen, zowel in technisch opzicht als qua kosten en timing. Maar het resultaat mag er wezen: een productieproces waarin gruwelijk ingewik-kelde elektronische circuits (bestaande uit soms wel honderden miljoenen transistoren) kunnen worden gemaakt met een hoge opbrengst, en met prestaties die hun voorgangers doen verbleken. Op zulke geavan-ceerde silicium chips worden de kosten van functionele blokken zoals filteren, kalibreren, aansturen, communi-ceren etc., die in alle moderne meet- en regelsystemen voorkomen, gemeten in dollarcenten per functie (mits de omzetvolumes hoog genoeg zijn).

CMOS-compatibel?Toen ik in 2006 het terrein van MicroNed betrad, begon ik me dan ook onmiddellijk af te vragen welke rol de integratie met CMOS-chips hier zou kunnen spelen, en hoe dat dan voor elkaar te krijgen. In het MicoNed-circuit bestuderen uitermate creatieve breinen allerlei methoden om nog gevoeliger biosensoren, betere monstervoorbereiding, slimmere microreactoren, nauwkeurigere en efficiëntere actuatoren, etc. te maken. Daarbij wordt gebruik gemaakt van een breed assortiment van nieuwe materialen en bewerkings-methoden, vaak toegepast op siliciumplakken als dragermateriaal. Dit leidt dan al snel tot de claim dat de gekozen aanpak ‘CMOS compatibel’ is. Deze claim vertegenwoordigt duidelijk een erkende meerwaarde.

Maar zoals hierboven geschetst blijkt de praktijk vaak weerbarstiger. Te veel nieuwe materialen een methoden tege-lijkertijd leiden zelden tot succes. Oké, je kunt er mooie publicaties over schrijven, studenten op laten promoveren en de nieuwsgierigheid van een (kleine) groep mensen mee bevredigen. Zonder twijfel allemaal belangrijke argumenten, maar waarom niet het aangename met het nuttige combineren?

Handen uit de mouwenDe slaagkans van een bepaalde aanpak kan vaak al in een vroegtijdig stadium redelijk worden afgeschat. Dat is natuurlijk geen exacte wetenschap, maar een moeilijke afweging van tech-nische en wetenschappelijke beloften, economische factoren en, uitermate belangrijk, een inventarisatie van de potenties van alle bekende alternatieven. De kunst is om dit voor elkaar te krijgen zonder de creativiteit en het enthousiasme van onderzoekers te frustreren, maar deze juist aan te wakkeren. Oprechte actieve samen-werking tussen de industrie en kennisinstellingen lijkt me daarvoor de aangewezen weg. Ik ondersteun dan ook van harte Henk Stapert’s aanbeveling in de vorige estafette-column om promovendi te stationeren bij consortiumpartners. Maar het zou ook goed zijn als hun begeleiders en industriële onderzoekers eens wat vaker en langer bij elkaar over de vloer zouden komen. Niet alleen voor beleefdheidsbezoeken, maar ook om gezamenlijk de handen uit de mouwen te steken. Vooral in de vaak multidisciplinaire MicroNed-projecten verwacht ik hier veel van. Dit is voor mij ook de aange-wezen manier om de potentie van de integratie met èchte CMOS voor typische MicroNed-applicaties in kaart te brengen en te consolideren. Mijn eigen erva-ring met deze werkwijze is uitermate positief. Ik beveel ze u van harte aan! Want het is toch geweldig als uw onderzoek naast wetenschappelijk hoogstaande resul-taten uiteindelijk ook een economisch succes oplevert.

Estafette-column

Frans WiddershovenAffiliation Program ManagerR&D, NXP Semiconductors

Widdershoven geeft het estafettestokje door aan prof.dr.ir.Lina Sarro, TU Delft


MicroNed is een publiek-private verband waarin tien kennisinstituten, 28 actief deel-nemende bedrijven (partners) en zo’n 25 betrokken bedrijven (gebruikers) samenwerken aan zowel het verwezenlijken van nieuwe MST-toepassingen, als aan het opzetten van een duurzame kennisinfrastructuur op het gebied van microsysteemtechnologie.MicroNed is een van de 37 BSIK-consortia die zijn opgezet voor het versterken van economische kennisinfrastructuur en die deels worden gefinancierd uit de Nederlandse

aardgasbaten. Het totale budget van MicroNed bestaat uit € 58 miljoen. Daarvan is € 30 miljoen ingebracht door de partners, de overheid heeft € 28 miljoen toegezegd.

MicroNed staat namens de overheid onder supervisie van drs. J.R.G. Bakker (voorzitter, Min. van Econ. Zaken), drs. J.N. Mout (Min. van Onderwijs, Cultuur & Wetenschap) en mr. P.M.A. Vetter (Min. van Landbouw, Natuur & Voedselkwaliteit).

Raad van Toezicht (deelnemende organisaties & bedrijven, Vz. Prof.ir. O.H. Bosgra)

Management Team (7 leden, Vz. Prof.dr.ir. A. van Keulen) Bureau

Clusterleider MISATProf.dr. E.K.A. Gill

1A Satellite bus Dr.ir. C.J.M. VerhoevenTechnische Universiteit Delft Fac. EWI / ELCAPostbus 50312600 GA DelftTel. (015) 278 6482E-mail [email protected]

1B Payload systemDr.ir. B. MonnaSystematIC design BVMotorenweg 5G2623 CR DelftTel. (015) 251 1100E-mail [email protected]

1C Spacecraft architectureIr. A.R. BonnemaInnovative Solutions in Space (ISIS)Rotterdamseweg 3802629 HG DelftTel. (015) 256 9018E-mail [email protected]

1D Formation flying systemsProf.dr.ir. J.M.A. ScherpenRijksuniversiteit GroningenFac. Wiskunde en NatuurwetenschappenInstituut Technologie en ManagementNijenborgh 49747 AG GroningenTel. (050) 363 8791E-mail [email protected]

Cluster-leider SMACTProf. dr. C.J.M. van Rijn

2A Atomisation Dr. A.M. Versluis Universiteit TwenteFac. TNW / VloeistoffysicaPostbus 217 7500 AE Enschede Tel. (053) 489 6824 e-mail [email protected]

2B Micro-engineering of supramolecular assemblies Prof.dr. E. van der LindenWageningen Universiteit Agrotechnologie & Voedingswetenschappen / Food Physics Group Postbus 8129 6700 EV Wageningen Tel. (0317) 485 417 e-mail [email protected]

2C Sensing & Diagnostics on a chip Dr.ir. M.A. Jongsma Wageningen Universiteit Plant Research International Postbus 16 6700 AA Wageningen Tel. (0317) 480 932 E-mail [email protected]

2D Dynamic micro-fractionationProf.dr. P.M. Sarro Technische Universiteit Delft Fac. EWI / ECTM Postbus 5053 2600 GB Delft Tel. (015) 278 7708 e-mail [email protected]

2E Micro coriolis flow controllerIr. R. ZwikkerDemcon BVZutphenstraat 25 7575 EJ Oldenzaal Tel. (0541) 570 720 e-mail [email protected]

2F Fluorescence on a chipProf.dr.ir. J. WesterweelTechnische Universiteit Delft Fac. 3ME / VloeistofmechanicaMekelweg 2 2628 CD Delft Tel. (015) 278 6887 e-mail [email protected]

2G Smart micro reactors Prof.dr.ir. J.C. Schouten Technische Universiteit Eindhoven Fac. Chemische Technologie / Chemische reactortechnologie Postbus 513 5600 MB Eindhoven Tel. (040) 247 3088 e-mail [email protected]

2H EmulsificationProf.dr.ir. R.M. Boom Wageningen Universiteit Agrotechnologie en Voedingswetenschappen / Sectie ProceskundePostbus 8129 6700 EV Wageningen Tel. (0317) 482 230 E-mail [email protected]

Cluster-leider MUFACDr.ir. H.H. Langen

3A 3d-MicrostructuringDr.ir. H.H. Langen Technische Universiteit DelftFac. 3ME / PMEDesign Mekelweg 22628 CD DelftTel. (015) 278 1887E-mail [email protected]

3B Micro assemblyDr.ir. M. Tichem Technische Universiteit DelftFac. 3ME / PME Mekelweg 22600 AA DelftTel. (015) 278 1603 E-mail [email protected]

3C Phase separation microfabrication Dr.ir. R.G.H. Lammertink Universiteit TwenteFac. TNW / MembraantechnologiePostbus 217 7500 AE Enschede Tel. (053)489 2063 E-mail [email protected]

3D Non-lithographic micro patterning toolsDr. E.S. KooijUniversiteit TwenteFac. TNW / MESA+

Postbus 2177500 AE EnschedeTel. (053) 489 3146E-mail [email protected]

Cluster-leider FUNMODProf.dr. D.J. Rixen

4A/B Transport phenomena & multi physicsProf.dr. D.J. Rixen Technische Universiteit Delft Fac. 3ME / PMEMekelweg 2 2628 CD Delft Tel. (015) 278 1523 E-mail [email protected]

4C MicromechanicsProf.dr.ir. M.G.D. GeersTechnische Universiteit EindhovenFac.Werktuigbouwkunde, MoM, WH 4.135Postbus 5135600 MB EindhovenTel.(040) 247 5076E-mail [email protected]

4D Design & OptimisationProf.dr.ir. A. van KeulenTechnische Universiteit DelftFac. 3mE / PMEMekelweg 22628 CD DelftTel. (015) 278 6515E-mail [email protected]

MicroNed Bureau:

Communicatie & PR Philip Broos ([email protected])Communicatie-ondersteuning Lucienne Dado ([email protected])Financiën Jan van der Lek ([email protected])Programma management Richard van der Linde ([email protected]) Programmabegeleiding Henne van Heeren ([email protected])Secretariaat Marianne Stolker ([email protected]) Olga van Paassen-van Halderen ([email protected])Voortgangscontrole Tjeerd Rijpma ([email protected])Website & data Satish Rangoe ([email protected])

Bezoek- en postadres:Mekelweg 22628 CD Delft Tel. (015) 278 4357 www.microned.nl

MicroMegazine

Documents

Transcript of MicroMegazine