Nanotechnologie - The Talk of the Scientific Town

T jaren geleden namen de meeste wetenschappers nanotechnologie niet serieus, maar nu is het de discussie van de wetenschappelijke stad. Grote investeringen in faciliteiten voor nanofabricage (cleanroom), de opkomst van nationale onderzoeksprogramma's in de Verenigde Staten en Japan en een gestaag toenemend aantal wetenschappelijke artikelen in Science and Nature hebben geleid tot serieuze belangstelling van de risicokapitaalmarkt. Hoe dingen kunnen veranderen!

Nanotechnologie (1 nm = 10-9 m) is op het eerste gezicht niets meer dan de logische uitbreiding van microtechnologie, een stap verder in de richting van miniaturisatie. Beide namen verwijzen naar dimensies van structuren en hebben geen wetenschappelijke betekenis zoals scheikunde, natuurkunde of biologie. Er zijn echter fundamentele verschillen. Structuren in het microdomein kunnen worden gemaakt door fotolithografie, de technologie die is ontwikkeld voor de micro-elektronica-industrie. De ondergrens van de huidige fotolithografie volgens de stand van de techniek is ~ 0, 13 µm of 130 nm. De beperkende factor voor verdere miniaturisatie is de golflengte van het licht dat wordt gebruikt om structuren in silicium te schrijven. Zowel technologische beperkingen als economische factoren maken het hoogst onwaarschijnlijk dat fotolithografie ooit in staat zal zijn om functies kleiner dan 100 nm te creëren. Voor de micro-elektronica-industrie betekent dit dat de wet van Moore na 40 jaar niet langer kan worden geëxtrapoleerd.

Nanotechnologie omvat individuele objecten met afmetingen tussen 1 en 100 nm. In de natuurkunde worden deze als klein beschouwd, in de chemie groot, terwijl dit voor biologen de gebruikelijke grootte is van individuele biopolymeren en andere belangrijke biologische objecten. Historisch gezien waren het de scansondetechnieken zoals scanning tunneling microscopy (STM), atomic force microscopy (AFM) en near-field optische microscopie die het mogelijk maakte om dergelijke nanostructuren te zien.

Niet alleen zou nanotechnologie de afmetingen van bestaande microapparatuur verminderen, maar nog belangrijker: het zal objecten en materialen produceren met fundamenteel nieuwe eigenschappen. De verwachtingen van wat nanotechnologie in de toekomst zal bereiken, variëren van kwantumcomputers, ultrasterke materialen, zelfreinigende stoffen en informatieopslag en ophalen tot medicijnafgifte aan individuele cellen en implanteerbare biosensoren. Elektronische en optische eigenschappen van structuren onder 100 nm worden bepaald door de kwantummechanica en dergelijke structuren kunnen niet langer worden beschreven als klassieke continue materie. In de afgelopen jaren zijn de principes van nano-elektronica en nano-optica experimenteel geverifieerd en zijn er spannende resultaten gepubliceerd die momenteel worden besproken.

Er zijn twee fundamenteel verschillende manieren om nanostructuren te fabriceren: top-down en bottom-up. De top-downtechnologieën zijn meestal een extrapolatie van bestaande fysieke methoden, zoals lithografie met elektronen- of ionenstralen die veel kleinere golflengten hebben dan zichtbaar of UV-licht. Nieuwe top-downtechnologieën gebruiken scherpe STM- of AFM-tips om patronen te schrijven door krassen, lokale afzetting van materialen of zelfs schrijven met (bio) moleculen. De alternatieve bottom-up benaderingen gebruiken individuele moleculen als bouwstenen en supramoleculaire chemie om deze in grotere structuren te assembleren. Op een bepaald punt in de ontwikkeling van nanotechnologie zullen de top-down en bottom-up benaderingen opgaan in een verscheidenheid aan nanofabricatietechnologieën.

Het gebruik van individuele moleculen, of zelfs atomen, als de kleinst mogelijke bouwstenen van materie kan worden gezien als de laatste fase van de ontwikkeling van bouwtechnologieën. Het begon vele eeuwen geleden, toen de mensheid kunstmatige objecten begon te bouwen, zoals gereedschappen, huizen en bruggen. Na verloop van tijd kon dit worden gedaan met toenemende controle over functie, precisie en miniaturisatie. De productietechnologie voor geïntegreerde elektronische schakelingen die in de afgelopen 30 jaar is ontwikkeld, is waarschijnlijk de beste illustratie van deze evolutie. Er is geen reden om aan te nemen dat de ontwikkeling van productietechnologieën zou stoppen bij kenmerken van 100 nm. Het zal doorgaan totdat we het ultieme niveau hebben bereikt van de kleinst mogelijke bouwstenen die we hebben, die individuele atomen en moleculen zijn. Daarom is nanotechnologie niet alleen een uitbreiding van de technologie van geïntegreerde schakelingen naar kleinere functies. Nanotechnologie zal al onze technologische activiteiten beïnvloeden en uiteindelijk fundamenteel veranderen.

Net zoals in het afgelopen decennium veel wetenschappers ervan overtuigd raakten dat nanotechnologie onze wereld zou revolutioneren, zo hebben de politici gevolgd. Toen de voormalige Amerikaanse president Bill Clinton in 1999 het Congres toesprak en over het belang van nanotechnologie sprak en deze definieerde als de technologie van de 21ste eeuw, werd nanotechnologie een deel van het publieke domein. Als gevolg hiervan stegen de onderzoeksbudgetten in de Verenigde Staten sterk en volgden andere landen. In het zesde kaderprogramma van de EU zal nanotechnologie een van de belangrijkste gebieden zijn.

Nanotech in Nederland: NANONED

Met faciliteiten voor micro-elektronica aan de drie Technische Universiteiten en nanofysica en supramoleculaire chemiegroepen van wereldklasse, had Nederland een uitstekende uitgangspositie in het begin van de jaren negentig. Groepen aan het Delft Institute of Microelectronics (DIMES, nanoelectronics) en MESA + aan de Universiteit Twente (microsysteemtechnologie en supramoleculaire chemie) behoorden tot de eersten die de bereiding en eigenschappen van nanostructuren publiceerden. Ondanks individuele ondersteuning door verschillende takken van NWO (Nederlandse Organisatie voor Wetenschappelijk Onderzoek) is er, zelfs in 2002, geen nationaal programma of centrum voor nanotechnologie in Nederland.

De Nederlandse wetenschappelijke gemeenschap besefte dat nanotechnologie allereerst state-of-the-art faciliteiten nodig heeft. Zowel bij DIMES als MESA + zijn bestaande cleanrooms tot op zekere hoogte opgewaardeerd voor nanofabricage. Tegelijkertijd begonnen leden van de Koninklijke Nederlandse Akademie van Wetenschappen een bottom-up discussie over een nationaal programma voor nanowetenschap en technologie, en hebben nu NANONED gecreëerd. In dit consortium hebben zeven universiteiten en TNO (de Nederlandse Organisatie voor toegepast wetenschappelijk onderzoek) overeenstemming bereikt over een nationaal programma en een plan gepresenteerd aan het ministerie van Economische Zaken. Het plan omvat investeringen in infrastructuur voor nanofabricage door een verdere upgrade van bestaande cleanroomfaciliteiten. Dit zorgt ervoor dat alle wetenschappers in Nederland toegang hebben tot nanofabricatietools en -omgeving. Het wetenschappelijke programma bestaat uit 11 geselecteerde gebieden, zoals nano-elektronica, nanofluidica, bionanostructuren, chemie met één molecule, natuurkunde en biologie, nanofabricatie en instrumentatie, en nano-optica.

Beschikbare posities?

NANONED zal naar verwachting leiden tot de (tijdelijke) tewerkstelling van meer dan 150 wetenschappers, meestal op het niveau van promovendi en postdoc ...

Individuele onderzoeksgroepen kunnen aan deze gebieden deelnemen op basis van de huidige competentie en prestaties uit het verleden. De voorbereidende fase van het programma nadert zijn voltooiing, waarbij industriële interesse en deelname worden afgestemd op de wetenschappelijke ambities en competenties van de academische deelnemers. Dit initiatief zal naar verwachting leiden tot de (tijdelijke) tewerkstelling van meer dan 150 wetenschappers, voornamelijk op het niveau van promovendi en postdoc, waardoor de vorming van een kritische massa van jonge onderzoekers die werkzaam zijn in dit nieuwe veld en gewend is aan interdisciplinair onderzoek wordt verzekerd.

Financiering van de eerste fase, Nanoimpuls genaamd, van het ministerie van Economische Zaken wordt verwacht vóór eind 2002. Vier subprogramma's zijn geselecteerd en de eerste investeringen in infrastructuur in Delft, Twente en Groningen zijn gepland. In vergelijking met andere geïndustrialiseerde landen is het een 'late call', maar hopelijk heeft het bottom-up in plaats van een top-down-proces de voordelen van zelfassemblage. In de chemie is zelfassemblage zeer efficiënt, vatbaar voor zelfcorrectie en leidt tot thermodynamisch stabiele structuren. Laten we hopen dat dezelfde eigenschappen typerend zijn voor NANONED. Om een ​​Belgische collega te citeren: "Zelfs in een klein land moet er voldoende ruimte zijn voor een nanovalley".