NANOTECHNOLOGIE

Dankzij nieuwe technieken dringt de wetenschap door in de wereld van de atomen. Ze worden niet alleen zichtbaar, onderzoekers kunnen ze ook vastpakken, verplaatsen en er zelfs mee gaan bouwen. Dat biedt perspectieven, voor het maken van nog kleinere chips bijvoorbeeld. Maar dat is niet wat de nanotechnologie zijn uitstraling geeft. Dit nieuwe, nu ja, alweer twintig jaar oude vakgebied, belooft minuscule machientjes, handig in elkaar gezette moleculen die de meest uiteenlopende taken zouden kunnen verrichten. Theoretisch kan alles. In de praktijk (nog) niet.

Voor Eric Drexler is dit geen fantastische toekomstdroom, maar een werkelijkheid die tastbaar nabij is. Drexler stelt zich echter geen miniatuuronderzeeërs voor als hij droomt over de nakende microchirurgie. De directeur van het Foresight Instituut in het Californische Palo Alto denkt dat handig in elkaar gezette moleculen het werk van de chirurg zullen overnemen. Deze 'machientjes' zouden, net als de duikbootbemanning in Fantastic voyage, een gezwel in het lichaam verwijderen of dichtgeslibde aderen openboren.

Daar blijft het niet bij. Drexler houdt het voor mogelijk dat er machientjes gemaakt gaan worden die vervuilde grond kunnen reinigen. Die een rottend gebit kunnen herstellen door uit de kalk en mineralen in iemands mond nieuwe tanden te smeden. Of die kleine computers in elkaar kunnen zetten. Hij denkt zelfs aan machientjes die zichzelf kunnen reproduceren.

De sky is hier eens niet the limit maar het atoom. Drexlers fantasieën worden slechts begrensd door de omvang van kleine moleculen, kleiner kunnen de machientjes niet worden. Kleine moleculen: dat is in de orde van een miljoenste van een millimeter. Een nanometer, zeggen de natuurkundigen. Nanotechnologie heet het vakgebied.

Drexler timmert al een jaar of twintig aan de weg met zijn ideeën over de mogelijkheden van de nanotechnologie. In 1989 kreeg hij ineens een flinke steun in de rug toen onderzoekers van computergigant IBM met 35 afzonderlijke atomen van het edelgas xenon het acroniem van hun werkgever schreven. Voilà, wilden de IBM'ers er maar mee zeggen, we kunnen met één afzonderlijk molecuul of atoom precies doen wat we willen. En impliciet: dan is de weg naar de machientjes niet zo ver meer. Vorige maand werd het kunstje nog eens dunnetjes overgedaan door wetenschappers, ook van IBM, die koolstof-60 moleculen - beter bekend als buckyballen - zo over een metaaloppervlak wisten te manipuleren dat het resultaat leek op de kralen van een telraam.

Het is het enige kunstje dat ze kunnen, werpen de critici tegen, en het is nog een koud kunstje ook. Letterlijk: de IBM-demonstraties slagen namelijk pas bij zeer lage temperaturen, dat wil zeggen, in de buurt van het absolute nulpunt, zo'n 270 graden Celsius onder nul. Bovendien lukt het alleen met zeer 'slome' atomen, zoals het edelgas xenon of de buckyballen, die ook nauwelijks met hun omgeving reageren. Probeer het maar eens bij kamertemperatuur, en met reactief materiaal, vervolgt de kritiek, dan blijven die gerangschikte atomen niet zo netjes liggen.

Ondanks dat is de ster van de nanotechnologie rijzende. Het doet het goed om het begrip te laten vallen in projectvoorstellen voor subsidiegevers en er verschijnen de laatste tijd tal van studies - onder andere van het ministerie van onderwijs en het Europees parlement - die suggereren dat 'we' de aansluiting met de Verenigde Staten en Japan dreigen te verliezen waar ze jaarlijks tientallen miljoenen in hun nano-instituten steken.

Maar dan gaat het veelal om conventioneel onderzoek. Onderzoek waarbij nieuwe technische mogelijkheden de grenzen hebben verlegd, maar dat inhoudelijk niet zoveel verschilt met het werk van pakweg tien jaar geleden. Hans Mooij is hoogleraar technische natuurkunde te Delft en de stuwende kracht achter het project NEXT: nanoschaal experimenten en technologie. Mooij bakt nog op de traditionele wijze chips: een plak silicium, een metaallaagje eroverheen, wat fotogevoelig materiaal, belichten, etsen en spoelen, en wat overblijft is een klein elektrisch circuitje dat mooie dingen kan doen in een wasmachine, een computer of een ruimtevaartuig.

Alleen, Mooij bakt ze héél klein. “We kunnen steeds kleinere structuren maken. Tien jaar geleden had ik niet kunnen denken dat de overgang van één micrometer, duizend nanometer, naar honderd en zelfs tientallen nanometers zo soepel zou gaan. Ik ben geneigd te denken dat de grens nu is bereikt, maar ik moet voorzichtig zijn. Dat hebben we namelijk al zo vaak gezegd.”

Zijn chips bevatten dan wel niets nieuws, ze zijn zo klein dat er ongekende dingen kunnen gebeuren. Mooij bouwt bijvoorbeeld systemen die zo subtiel zijn dat hij precies één elektron tussen twee punten van zo'n elektrisch circuitje kan laten overspringen - ter vergelijking: in een gewone gloeilamp komen per seconde vele biljoenen elektronen voorbij.

Wat hij er mee aanmoet, weet Mooij nog niet. Van een variant van het systeem heeft zijn groep een leuk wetenschappelijk speeltje gemaakt. Mooij heeft een minichip waarbij hij, terwijl hij aan de knoppen draait, exact kan regelen hoeveel elektronen op een verzamelpunt belanden: een soort knikkerputje voor elektronen. “Je kunt het opvatten als een kunstmatig Periodiek Systeem der Elementen. Elk element, waterstof, zuurstof of ijzer, wordt gekenmerkt door het aantal elektronen dat het bezit. Die eigenschap hebben we hier nagebootst. De elektronenputjes zijn zo bezien tweedimensionale atomen.”

Concrete toepassingen zijn er nog niet, al biedt het één-elektronsysteem wel perspectieven. Als de minichip aan het sprongetje van één elektron al voldoende heeft om een signaal te herkennen, dan past een pc straks op een vierkante millimeter.

Dat begint op een moleculair machientje te lijken, maar de nuchtere Mooij vindt dat soort toekomstbeelden van de nanotechnologie allemaal zwaar overdreven. Hij wijst op de problemen: “Ten eerste is zo'n systeem heel foutgevoelig. Voor ons is dat niet erg. Een promovendus maakt het niet uit als maar één op de vijf minichips werkt. Voor een industriële productie heb je natuurlijk een grotere betrouwbaarheid nodig.”

Een groter probleem - het is al aangestipt - is dat de minichips de sprongetjes alleen zien bij zeer lage temperaturen. Bóven de 258 graden Celsius onder nul vallen de sprongetjes niet meer op temidden van het gewiebel en gedans van de atomen. En voor dat probleem is maar één oplossing: nog kleinere chips. Maar dat geeft weer een ander probleem: zo klein kan Mooij ze niet bakken. Tenminste, niet op de traditionele manier.

In de ultra-moderne opstelling van zijn NEXT-project worden de minichips niet meer laag voor laag opgebouwd en vervolgens geëtst, maar zet een zogeheten STM (scanning tunneling miscroscope) de afzonderlijke atomen één voor één op hun plaats. Zoals een STM ook verantwoordelijk was voor de IBM-grapjes van het acroniem en het telraam. Een prachtig systeem, zegt Mooij, maar voorlopig is het niet erg praktisch: “Een STM is een maand bezig om één vierkante millimeter vol te leggen.”

Zijn collega in Groningen, de hoogleraar biochemie George Robillard, heeft daar een slimmer procédé voor. Robillard leent een truc van moeder natuur: de wijze waarop het erfelijkheidsmolecuul DNA in elkaar wordt gezet. Het DNA-molecuul heeft de vorm van een wenteltrap waarbij elke trede uit twee helften bestaat. Een halve trede - een base - past maar op één andere base. Robillard hangt aan bijvoorbeeld een goudatoom een sliert van basen. Net als de afzonderlijke basen passen die sliertjes maar op één manier aan elkaar vast. “De lengte van het samengestelde sliertje ligt dus vast”, zegt Robillard. Vervolgens gooit hij de goudballetjes met sliertjes in een soep, en ziedaar, het wonder geschiedt: de goudatomen groeperen zich in een rooster met een volmaakte regelmaat.

Vraag ook Robillard niet wat hij daar mee aan moet. Net als Mooij ziet hij de nanotechnologie nog aan het begin van een ontwikkeling staan. Er wordt wel vooruitgang geboekt, maar die levert slechts losse bouwstenen op waarvan nu zelfs nog niet te zeggen is óf ze ooit bij elkaar zullen passen.

Moleculaire machientjes, dat is voor Robillard geen science fiction. “Ze bestaan al lang”, zegt hij, “en we noemen ze enzymen. U weet wel, enzymen breken in ons lichaam voedingsstoffen af of knippen het DNA doormidden. Maar ze verwijderen ook vlekken uit de was. Het enige dat we hoeven te doen, is de natuur te imiteren. We strippen alle biologische functies van het enzym die voor ons niet interessant zijn, zodat we de essentie van de functie overhouden. En dat maken we na.”

Hij haalt een map met artikelen en overheadsheets tevoorschijn en laat een schematische tekening van het moleculaire pincet zien: een molecuul, dat niet alleen de vorm heeft van een pincet, maar dat, als het scharnierpunt belicht wordt, open of dicht gaat, afhankelijk van het gekozen licht. “Dit molecuul kan een ander molecuul oppakken en ergens anders weer neerleggen”, aldus Robillard. “Bovendien kan ik het zo regelen dat het pincet ook nog een elektrisch signaal afgeeft als het 'beet' heeft.”

De hoogleraar bladert door zijn map en noemt, bijna terloops, nog wat voorbeelden: een polymeer, een groot, langgerekt molecuul, dat met behulp van warmte of licht kan rekken en krimpen, net als een eiwit in de spieren. “Noem het een moleculaire hijskraan”, zegt Robillard. Een ander polymeer bootst de fotosynthese in bladgroen na, “veel efficiënter dan een gewone fotocel”.

In 1974 hield de fysicus Richard Feynman een rede voor pas afgestudeerden. Feynman vertelde over de bewoners van een eiland in de Stille Oceaan die zich met eenzelfde overtuiging voorbereidden op de landing van de Amerikaanse troepen. Net als aan het eind van de Tweede Wereldoorlog was gebeurd. Alles was in gereedheid; grote vuren markeerden de landingsbaan en een man met houten koptelefoon en bamboe antenne hield het luchtruim in de gaten. “Ze deden alles perfect”, vertelde Feynman. “En alles zag er precies zo uit als de vorige keer. Alleen, er gebeurde niets, er kwamen deze keer geen vliegtuigen.”

Feynman vergeleek deze eilandbewoners met wetenschappers die op hun geloof vertrouwen en niet in staat zijn om te begrijpen waarom sommige dingen niet werken. Wordt dat het lot van de nanotechnologie?

Mooij uit Delft is ervan overtuigd dat zijn interessegebied, de nanoelektronica, gemeengoed zal worden. “Over honderd jaar zullen we de problemen onder de knie hebben en de nanoelektronica net zo gewoon vinden als nu de microelektronica. Maar over tien jaar? Ik weet het niet. Het vak gaat met sprongen vooruit, maar het kost nu nog de grootste moeite om het allemaal te beheersen.”

De problemen die hij voorziet, vallen in het niet bij de beren die Robillard op zijn weg naar de moleculaire machientjes verwacht. “We kunnen ze maken. We hebben al moleculaire schakelaars, moleculaire pincetten, moleculaire hijskranen. De volgende vraag is of we die dingen kunnen aansturen. Als we al die dingen op nanoafstanden gerangschikt hebben, weten we ze dan nog te vinden? Hoe houden we bij welke schakelaar 'aan' staat en welk pincet iets vast heeft? En we kunnen wel mooi zeggen dat we ze met licht aansturen. Maar licht heeft een golflengte van een paar honderd nanometer. Zo'n lichtbundel kan twee moleculaire schakelaars die op een paar nanometer van elkaar staan, niet onderscheiden. Die gaat er als een vloedgolf overheen.”

“Ons doel is een volledige controle over de materie. En theorétisch zijn daar geen barrières voor. Er is geen enkel fysisch principe dat mij verbiedt om een bepaald molecuul te maken.”

Het probleem zit hem in de praktijk. De stand van de technologie, die alle leuke nanospeeltjes heeft mogelijk gemaakt, staat nog geen echte doorbraken toe. “In feite sleutelen we al langer aan eiwitten. We kunnen daar nu al dingen aan veranderen. Dat kan ook gericht, maar we hebben het niet volledig onder controle. We kunnen nooit precies voorspellen of het gewenste resultaat eruit rolt. Voor een deel is het nog steeds trial and error.”

Die technologische achterstand was voor Robillard een van de redenen om samen met plaatselijke collega's het voorstel voor een nanotechnologisch onderzoeksinstituut te lanceren. De Rijksuniversiteit Groningen herbergt op een klein oppervlak fysici, materiaalkundigen, chemici en biotechnologen en een bundeling van die krachten zou in de ogen van Robillard grote sprongen voorwaarts mogelijk maken.

Het voorstel haalde het niet. De industrie zag er geen heil in en weigerde om er geld in te steken. Het verraste Robillard niet. “De industrie richt zich steeds meer op de korte termijn. Iets moet binnen vijf jaar tot winst leiden, amders doen ze niet mee. In dat stadium is de nanotechnologie nog lang niet.”