nanotechnologie

De massa van individuele atomen kan nu vastgesteld worden door ze rechtstreeks te wegen.

Gevoeligste weegschaal ter wereld weegt yoctogram

2 reacties / Techniek, Wetenschap / Door / 5 april 2012

Hoe weeg je een atoomkern tot op een proton nauwkeurig? Antwoord: met een weegschaal die nauwkeurig genoeg is om de kleinst gehanteerde eenheid van massa te registreren, het yoctogram.
Individuele atomen wegen wordt nu voor het eerst in de menselijke geschiedenis mogelijk.

Hoeveel is een yoctogram?
De eenheid van massa in het Système International, het internationale standaardensysteem, is het kilogram. Eigenlijk is deze keuze verwarrend. Een duizendste deel van het kilogram is het gram. Een ton, 1000 kg, is een megagram (Mg). Kleinere gewichtseenheden dan het gram zijn, steeds in trappen van een duizendste, een milligram (een suikerkorrel), een microgram (een stofje), een nanogram (een gemiddelde lichaamscel), een picogram (de massa van het DNA in deze cel), een femtogram (de massa van een doorsnee virusdeeltje), een attogram (tien hemoglobinemoleculen), een zeptagram (een buckybal, een moleculaire voetbal van rond de zestig koolstofatomen) en tot slot het yoctogram (een proton en neutron hebben een massa van rond de 1,6 yoctogram). Een yoctogram, 10-27 kilogram, is dus extreem weinig.

De massa van individuele atomen kan nu vastgesteld worden door ze rechtstreeks te wegen.
De massa van individuele atomen kan nu vastgesteld worden door ze rechtstreeks te wegen.

Nanobuisjes
Een standaard weegschaal werkt hier allang niet meer. De kleinste gewichten worden daarom gemeten met behulp van koolstof nanobuisjes, die afhankelijk van de massa van de deeltjes die er aan kleven, met verschillende frequenties trillen. Tot nu toe slaagden onderzoekers er in met deze techniek een massa met een nauwkeurigheid van 100 yoctogram te meten – ongeveer een ijzeratoom. Om ook individuele atomen te kunnen wegen, gebruikten Adrian Bachtold en zijn collega’s van het Catalaanse Instituut voor Nanotechnologie in Barcelona korte nanobuisjes. Deze geven de nauwkeurigste resolutie en functioneren nog steeds bij de extreem lage temperaturen die nodig zijn voor deze meting.

Bij deze nauwkeurigheid zal zelfs een enkel atoom de meting ernstig verstoren. Bachtold verwijderde daarom rondzwervende atomen door tijdelijk de temperatuur van de buisjes te verhogen, zodat alle (van der Waals-)bindingen met aan de buisjes klevende atomen werden verwijderd.

Vervolgens was de sensor in staat een atoom van het edelgas xenon te wegen tot op 1,7 yoctogram nauwkeurig. Hierdoor kon het aantal deeltjes in de kern van het xenonatoom exact bepaald worden, immers protonen en neutronen hebben een massa van rond de 1,7 yoctogram. Collega-nanotechnologen, zoals Rachel McKendry van University College London, zijn zeer onder de indruk, maar noemen het goedkoop fabriceren van nanobuisjes-sensoren aan de lopende band nog een pittige technische uitdaging.

Bachtold hoopt dat de sensor kan worden gebruikt om verschillende elementen in chemische monsters vast te stellen zonder chemische reacties te gebruiken. Ook kunnen kleine verschillen in moleculaire massa een signaal zijn voor afwijkingen in de stofwisseling, dus ziekte. Een methode om individuele atomen te kunnen wegen en scheiden is ook van essentieel belang bij het winnen van grondstoffen met behulp van nanotechnologie.

Bronnen
A nanomechanical mass sensor with yoctogram resolution, Nature Nanotechnology (2012), DOI: 10.1038/NNANO.2012.42
World’s most sensitive scales detect a yoctogram, New Scientist (2012)

Video: grey goo vernietigt aarde

4 reacties / Analyses, Ideeën, Wereld / Door / 27 december 2020

Machientjes zo groot als een virus of uit de kluiten gewassen eiwitmolecuul zijn erg handig. Je kan zo letterlijk alles atoom voor atoom opbouwen. Of bijvoorbeeld atomen van een zeldzaam element als goud laten zoeken. Helemaal mooi is het al de machientjes zichzelf kunnen vermenigvuldigen. Dan hoef je er maar één te maken, die zichzelf net als een bacterie vermenigvuldigt. Als je even geduld hebt, heb je voor je het weet een hele bak vol ijverige smurrie. En dat is nu net het probleem…

Nanomachines kunnen erg nuttig zijn. Vooral als ze zichzelf kunnen vermenigvuldigen. Maar dat heeft ook nadelen: in de grey goo scenario's loopt die vermenigvuldiging uit de hand.
Nanomachines kunnen erg nuttig zijn. Vooral als ze zichzelf kunnen vermenigvuldigen. Maar dat heeft ook nadelen: in de grey goo scenario’s loopt die vermenigvuldiging uit de hand.

Grey goo eerder persistent milieuprobleem

Aan de andere kant zijn er natuurkundige beperkingen. En deze zijn groot. Nanobots hebben vrije energie nodig. behoorlijk veel vrije energie, want ze breken materialen atoom voor atoom af. Nanobots zouden dus roodgloeiend heet worden. Ze moeten ook alle atomen die ze nodig hebben in hun omgeving kunnen vinden. Vooral bij de zeldzamer soorten, zoals zeldzame aardmetalen, is dat lastig. Waarschijnlijk zullen nanobots dus niet veel sneller opereren dan de snelste bacteriën nu. Die verdubbelen zich elke twintig minuten, in ideale omstandigheden.

Wel een probleem is dat nanobots zich overal in kleine hoekjes kunnen vestigen en dan langzaam fabriekjes bouwen. Als strategisch wapen is dat erg aantrekkelijk. Wat doet vrezen, dat het Pentagon of hun Chinese, Russische of Turkse collega’s in de militaire verdwazing, dit gaan ontwikkelen.

Lees ook:
Grey goo: nanobots op rooftocht

“Optisch gekko-effect geeft grote kleefkracht”

Laat een reactie achter / Wetenschap / Door / 8 december 2021

Met bepaalde metamaterialen is het in principe mogelijk om als een gekko tegen een metalen muur op te klimmen en de kleefkracht met een druk op de knop aan of uit te zetten. Dit voorspellen natuurkundigen.

Lichtdruk

Al in 1871 voorspelde James Clerk Maxwell dat licht een kracht uitoefent op alles wat het raakt. Deze stralingsdruk is zwak, denk aan enkele newtons (een newton is de druk die 100 gram materie door de aardse zwaartekracht uitoefent) per vierkante kilometer oppervlak, maar aantoonbaar door licht op een molentje met donkere en lichte oppervlakken te laten vallen. Zonnezeilen en laserkoeling werken op dit principe.

Optische kracht

John Zhang en zijn collega’s van de universiteit van Southampton in Engeland hebben een nog veel sterker effect ontdekt. Zij voorspellen dat er een vele malen sterkere optische kracht kan bestaan tussen een metaal of diëlektrische plaat en  een metamateriaal, een materiaal met een complexe interne structuur. In dit geval gaat het om een metamateriaal met exotische optische eigenschappen. Dit effect maakt gebruik van plasmons.

Wat zijn plasmons?

Niet alleen atomen, maar ook trillingen, warmte en geluid zijn gekwantificeerd in elementaire ‘deeltjes’. Zo bestaat warmte uit fononen:  elementaire trillingen die door materie reizen. de precieze sterkte van deze trillingen verschilt uiteraard per type materie.  Trillingen van de elektronen op de oppervlakte van materie worden plasmons genoemd.  Deze trillingen zijn maar klein in amplitude – nanometers, aanmerkelijk kleiner dan die van de golflengte van zichtbaar licht. Al eerder beschreven we een truc om door licht om te zetten in plasmons, licht door een zeer kleine opening te laten reizen.

Hoe werkt het effect?

In hun artikel beschrijven Zhang en zijn collega’s, dat in principe deze plasmons in resonantie kunnen komen met de elektronen van het andere oppervlak. Hierdoor ontstaat een resonerend effect dat beide oppervlakken tegen elkaar aan trekt.

Plasmons zijn trillingen, dus hebben een bepaalde trillingsfrequentie. Als deze met licht van precies de juiste golflengte worden geraakt, wordt de aantrekkende kracht erg sterk. Hoe sterk, hangt af van de frequentie en intensiteit van het invallende licht. In principe wekt licht met een intensiteit van enkele tiende watt per vierkante meter een voldoend sterk effect op om de zwaartekracht van een 50 nm dik goudlaagje te compenseren.

Wat kunnen we er mee?

De technische toepassingsmogelijkheden hiervan zijn groot in aantal. Zhang en zijn collega’s noemen bijvoorbeeld de mogelijkheid om met een optische scantip nano-objecten op te pakken (kijken en grijpen tegelijkertijd dus; essentieel voor micro- en nanotechnologie) en het aanpassen van de eigenschappen van metamaterialen met behulp van licht – programmeerbare materie dus.

En zo zijn er heel wat meer toepassingen te verzinnen. Een carrière als Spiderman bijvoorbeeld? Voor dat laatste zijn uiteraard extreem veel grotere sterktes nodig waarvan het de vraag is of die haalbaar zijn.

Experimenten

Alleen is de kracht nog niet experimenteel aangetoond. Wel geven Zhang en zijn collega’s nuttige aanwijzingen om deze kracht te vinden en stellen zelfs dat de hier beschreven nabije-veld elektromagnetische kracht gemakkelijk te detecteren moet zijn.

Naschrift: op dit moment (2021), negen jaar na deze veelbelovende aankondiging, is er nog geen experimentele bevestiging van het effect bekend.

De nanodeeltjes gaan stroom geleiden als ze aan elkaar gaan klitten.

Computer bouwt zichzelf om

5 reacties / Ideeën en techniek, Wetenschap / Door / 28 oktober 2011
Kan een computer op een dag zichzelf ombouwen tot een heel nieuw apparaat? Een nieuw nanomateriaal is in staat elektrische stromen in drie dimensies te sturen.

Kwantumprocessen hinderen verdere miniaturisering
Dan maar de hoogte in. Dat denken steeds meer chipontwerpers, nu de componentjes van computers nog maar honderd atomen of minder breed zijn en ze nog kleiner maken betekent, dat kwantumeffecten informatie gaan verminken.
De nanodeeltjes gaan stroom geleiden als ze aan elkaar gaan klitten.
De nanodeeltjes gaan stroom geleiden als ze aan elkaar gaan klitten.

Materiaal bouwt zichzelf om
Het team van Northwestern University pakt het heel anders aan. Ze hebben elektronische materialen ontwikkeld die zichzelf kunnen herconfigureren, zodat ze verschillende rekenbehoeften kunnen vervullen bij verschillende gelegenheden. Zo zijn er bepaalde taken waarbij het heel handig is als je heel veel parallelle rekenkracht hebt (bij grafische toepassingen bijvoorbeeld), terwijl intensieve rekenklussen of taken waarbij juist heel veel geheugen nodig is, weer heel andere eisen aan een computer stellen. Eigenlijk wil je een computer die in staat is zichzelf hieraan aan te passen.

Het materiaal dat door onderzoeksleider prof. Bartosz A. Grzybowski en zijn team is ontwikkeld, laat toe dat elektrische stromen in diverse richtingen worden gestuurd, soms zelfs in een tegenovergestelde richting ten opzichte van een andere stroom.

Gouddeeltjes met positieve mantel
Het materiaal bestaat uit nanodeeltjes silicium en organische polymeren (i.e. op koolstofverbindingen gebaseerde lange molecuulketens) die naar keuze kunnen werken als een transistor, een gelijkrichter, een diode of een weerstandje.
Voor wie nu een glazige blik in de ogen krijgt: dit zijn de componentjes waaruit een computer bestaat. Wat deze ontdekking pas echt spectaculair maakt is dat deze naar believen in elkaar zijn om te zetten met elektrische pulsjes. Zo kan je de hardware van een computer compleet omprogrammeren en hoef je ookgeen dure chipsbakmachines te gebruiken: je programmeert ‘gewoon’ een klontje van dit materiaal op de gewenste manier. Denkende klei, als het ware dus.

Hoe werkt het materiaal?
Het hybride materiaal bestaat uit (elektrisch geleidende) gouddeeltjes, elk vijf nanometer in doorsnede (i.e. vijftig tot zeventig atomen), die op hun beurt zijn bedekt met een laagje positief geladen moleculen. De deeltjes worden omringd door negatief geladen atomen die de positieve ladingen op de deeltjes opheffen. Door stroom op het materiaal te zetten kunnen de negatief geladen atomen bewegen, maar de veel grotere positieve deeltjes niet.
Door deze zee van negatief geladen atomen te manipuleren, kunnen gebiedjes met een lage of juist hoge geleidbaarheid worden geschapen. Het gevolg is een geleidend pad dat elektronen in staat stelt door het materiaal te vloeien. Oude paden kunnen worden uitgewist en nieuwe gecreëerd door te duwen en te trekken aan de negatieve atomen. Door de deeltjes op een andere manier te rangschikken, kunnen ook complexere elektrische componenten zoals diodes en transistors worden geconstrueerd.
Uiteraard zal dit materiaal minder efficiënt zijn dan dedicated circuits, maar de enorme flexibiliteit maakt het goedje waarschijnlijk zeer interessant voor locaties waar je zelf niet makkelijk bij kunt. Denk aan het inwendige van kerncentrales, de diepzee of de ruimte.

Lees ook:
Door een slimme configuratie van lichttrechters kan er veel meer straling ingevangen en geconcentreerd worden.

Licht in nanokanaaltje gepropt

3 reacties / Ideeën en techniek, Wetenschap / Door / 28 oktober 2011

Alsof je een walvis door een afvoerpijp laat zwemmen. Daarmee kan je de opmerkelijke prestatie vergelijken om licht door een kanaaltje, vijfhonderd keer smaller dan de golflengte te persen. De mogelijkheden voor creatieve uitvinders zijn enorm. Denk alleen al aan veel betere infrarood zonnepanelen en gevoeliger nachtkijkers.

Door een slimme configuratie van lichttrechters kan er veel meer straling ingevangen en geconcentreerd worden.
Door een slimme configuratie van lichttrechters kan er veel meer straling ingevangen en geconcentreerd worden.

Gaatjes zuigen licht op
Stel je voor dat alle licht dat op de muren van je huis valt, alsnog door de ruiten naar binnen gaat. Bij ‘power funneling’ blijkt dat er meer licht door de gaatje reist dan je zou verwachten als je het totale oppervlak van de gaatjes vergelijkt met die van de rest van het oppervlak. Dit bizarre effect heet in fysisch vakjargon extraordinary optical transmission (EOT) en wordt veroorzaakt omdat lichtdeeltjes die het oppervlak raken, worden omgezet in plasmons (oppervlaktetrillingen). Deze plasmons bewegen dan weer door de trechters heen. Dit proces berust echter op resonantie, waardoor alleen een heel nauw bereik van golflengtes (kleuren) kan worden geoogst. Het is uiteraard zeer interessant om het licht van een breed spectrum, bijvoorbeeld alle zichtbare licht, te kunnen concentreren. Dan zou je er bijvoorbeeld een zonnecel mee kunnen bouwen. Daarvoor is het nodig niet-resonante technieken te ontwikkelen. Ook zijn de ontwerpeisen zo veel minder streng.

Breed spectrum kan worden geoogst en geconcentreerd
Dat concept ontwikkelen is nu gelukt. De onderzoekers stellen een structuur voor van kanaaltjes die veel en veel smaller zijn dan de golflengte van het licht. Hun apparaat bestaat uit een patroon van kleine en grote rechthoekige spleten, geëtst in een dun goudlaagje op een draagstof. Terwijl de grote spleten zorgen dat er meer licht wordt geoogst door de kleine spleten, zorgen de kleine spleten dat het licht nog nauwer op wordt gesloten en daarmee wordt versterkt.

Veel gevoeliger infrarood detectoren
In hun model bereiken ze een hoge concentratiefactor van licht, denk aan factor dertien tot twintig. Hun structuur is afgestemd op infrarode (warmte) straling. Mensen laten overal zwakke, kortdurende infraroodsporen achter, die je door middel van dit gevoelige proces kunt waarnemen. Ook kunnen infrarood-detectoren, mogelijk ook infrarood draadloze verbindingen en allerlei meetapparatuur veel nauwkeuriger worden.

Het gaat hier om structuurtjes op nanoschaal. Op dit moment is nanofabricage snel aan het evolueren, zodat deze kleine structuurtjes vermoedelijk binnen enkele jaren al geproduceerd kunnen worden. Weliswaar kunnen de kleine spleetjes nog smaller (wat de versterkingsfactor nog meer zou vergroten), maar kwantum tunneling, waardoor de energie weglekt, gaat dan roet in het eten gooien. Ook komen ze zo aan de grens van wat nanofabricage aankan.

Onderzoekers G. Subramania en I. Bremer van Sandia National Laboraties in Californië en S. Foteinopoulou van de Britse universiteit van Exeter hebben hun concept oktober 2011 gepubliceerd in het vooraanstaande natuurkundige vakblad Physical Review Letters.

Bron:
G. Subramania, et al. “Nonresonant Broadband Funneling of Light via Ultrasubwavelength Channels.” Physical Review Letters, 107, 163902 (2011)

De moleculaire propellor. Op atomaire schaal is alles nogal hobbelig.

Kleinste elektromotor ooit van tien atomen breed

3 reacties / Ideeën en techniek, Wetenschap / Door / 5 september 2011

Voor de eerste keer is er een elektrische motor gemaakt van een enkel molecuul. Met 1 nanometer lang, maakt dit het organische molecuul meteen de kleinste elektrische motor ooit. Atomenlego komt steeds dichterbij.

De moleculaire propellor. Op atomaire schaal is alles nogal hobbelig.
De moleculaire propellor. Op atomaire schaal is alles nogal hobbelig.

Als zodanig is de motor al een vermelding waard in het Guinness boek met wereldrecords, vinden de auteurs, maar er zijn ook praktische toepassingen. Vloeistof door de nanometer-brede kanaaltjes in een ‘lab on a chip’ stuwen, bijvoorbeeld. Dat moleculen kunnen gaan bewegen onder invloed van licht of chemische reacties is al langer bekend.
Dit is echter de eerste keer dat een molecuul zich voorspelbaar gedraagt en wordt aangedreven door elektriciteit – de functionele eis aan een elektromotor.

E. Charles Sykes en zijn team van de Tufts University in Boston makten toen gebruik van het asymetrische molecuul butyl-methylsulfide. Dit is een zwavelatoom met aan de ene kant butyl, een ‘rups’  van vier koolstofatomen en aan de andere kant methyl, een enkel koolstofatoom (uiteraard net als het butyleinde verder volledig omringd met waterstofatomen, zoals een beschaafde koolwaterstof betaamt).  Ze hechtten dit molecuul aan een koperen oppervlak via het zwavelatoom. Zo ontstond er een soort asymmetrische ‘propellor’.

Scanning tunneling elektronenmicroscopen hebben een punt aan de naald van enkele atomen dik. Toen de onderzoekers een stroom toevoerden door het molecuul via die tip, zette het molecuul de elektrische energie om in rotatie-energie: het begon te draaien in beverige schokjes in ongeveer vijftig omwentelingen per seconde.  Omdat de propellor asymmetrisch is, kan het op twee verschillende manieren worden blootgesteld aan het koper. Slechts in één oriëntatie trad het effect op: de rotatie vond overwegend in de richting van de klok plaats. Met andere woorden: een motor. Sykes weet niet waarom de afwijking optrad, maar denkt dat het te maken heeft met een asymmetrie in de punt van de naald. Het is uiterst lastig op atomaire schaal iets scherp te maken. Als Guinness dit record accepteert, verpulvert de motor van ongeveer tien atomen groot het bestaande record met factor 200. De huidige wereldrecordhouder bestaat namelijk uit twee 200 nanometer lange koolstofnanobuisjes.

Sykes hoopt dat hij zijn nanomotor kan gebruiken als een soort aandrijfmiddel om vloeistoffen door nanometersbrede knaaltjes te kunnen persen. Erg handig als we met een lab on a chip snel diagnoses willen kunnen stellen, waar artsen en patiënten anders dagen lang op moeten wachten. Ook kan je denken aan een soort moleculaire lopende band, die aan wordt gedreven met een reeks van deze propellors, waarin moleculen stukje bij beetje in elkaar kunnen worden gezet. Hoe dan ook, het tijdperk waarin machientjes van misschien enkele honderden atomen breed driftig bezig zijn met allerlei andere nanomachientjes in elkaar te zetten, komt zo steeds dichterbij. Sykes deed zijn proeven vijf graden boven het absolute nulpunt. Bij honderd kelvin in plaats van vijf kelvin tollen de machientjes miljoenen malen per seconde rond. Te snel om te meten voor het team, dat de meetresultaten van vijf minuten  meten in enkele weken analyseerde. Maar uiteraard ideaal voor nanofabriekjes die met griezelige hoge snelheden allerlei mooie dingen voor de mensen uitbraken.

Bron:
E C Sykes et al., Experimental demonstration of a single-molecule electric motor, Nature Nanotechnology (2011)
The really little engine that could – Tufts University (2011)

DNA origami. De goudkogeltjes hechten zich in spiraalvorm aan DNA.

DNA-origami is doorbraak optische metamaterialen

4 reacties / Ideeën en techniek, Wetenschap / Door / 24 augustus 2011

Onzichtbaarheidsmantels, dunne lenzen die zo krachtig zijn als een complete microscoop en veel betere zonnecellen. Het zijn maar enkele voorbeelden van de toepassingen van optische metamaterialen. De fabricage is helaas lastig en duur, maar deze nieuwe ontdekking kan daar wel eens verandering in brengen.

Metamateriaal vergt lastige bewerkingen
Het eerste metamateriaal ooit werd niet ontworpen voor licht maar voor radiogolven die een veel grotere golflengte hebben, namelijk van centimeters. Dit materiaal werd gemaakt van C -vormige stukken metaal en draad en in de vorm van een honingraat  zo groot als een tafel in elkaar gesoldeerd. Weliswaar was dit veel werk, maar het kan door mensen gedaan worden. Dat komt omdat de golflengte van radiogolven zo groot is. Ook onderdelen van enkele millimeters zijn al voldoende klein om als metamateriaal te kunnen dienen. Licht is een veel grotere uitdaging. Metamaterialen die licht kunnen manipuleren, moeten structuurtjes hebben die veel kleiner zijn dan de golflengte van licht, 400 tot 700 nanometer. Dit is kleiner dan de meeste bacteriën. Voor mensen is dit onmogelijk en de nanotechnologie is ook nog niet zover dat we dit met apparaten makkelijk kunnen realiseren, anders dan op een plat vlak. Onze beste lithografische technieken – die worden gebruikt voor de nieuwste chips en processors, komen uit rond de 20 nanometer.

Lichtgolven vervormen vergt structuurtjes van enkele atomen breed
Om metamaterialen voor zichtbaar licht te ontwikkelen, moeten zelfs nog iets kleinere structuren worden ontwikkeld. We praten dan over structuren  van enkele tientallen atomen breed (een atoom heeft, afhankelijk van het type, ongeveer 0,06 tot 0,6 nanometer doorsnede). Dit is veel lastiger te realiseren, vooral als je geen oppervlak, maar een driedimensionaal metamateriaal wilt hebben. Op zich zijn de componenten makkelijk te maken via allerlei welbekende bulkprocessen uit de chemische industrie. Het probleem is ze in elkaar te passen. We hebben geen robothanden op nanoschaal. Weliswaar kunnen we atomen verslepen, bijvoorbeeld met de punt van een scanning tunneling electronenmicroscoop, maar dat is een uiterst lastig en tijdrovend karweitje. Geen wonder dus dat Harry Potter zo zuinig is op zijn onzichtbaarheidsmantel, zullen fans van de bekende boekenserie van schrijfster J.K. Rowling zeggen.

DNA origami. De goudkogeltjes hechten zich in spiraalvorm aan DNA.
DNA origami. De stukjes DNA met goudkogeltjes hechten zich automatisch aan het bijpassende DNA.

DNA-structuur zet zichzelf in elkaar
Tot nu toe. Anton Kuzyk van de technische universiteit van München en enkele collega’s hebben een manier gevonden om dit probleem te kraken. De techniek heet DNA origami en komt er op neer dat gouddeeltjes met korte stukjes enkelvoudig DNA worden bedekt. Tegelijkertijd worden de hierbij passende stukjes DNA in een grotere DNA-structuur gebouwd. Als de DNA-puzzelstukjes in elkaar vallen, worden de gouddeeltjes meegesleept en ontstaat een atomair bouwwerk dat, bij zorgvuldig ontwerp, bijna iedere gewenste vorm kan hebben.

Kuzyk en zijn collega;’s hebben dit proces gebruikt om negen nanodeeltjes goud van slechts tien nanometer doorsnede aan stukken DNA te binden. Hiermee vormden ze de treden van een wenteltrap op nanoschaal. Nog meer goed nieuws is dat het proces zelforganiserend is. In een oplossing kunnen ze werkelijk miljoenen van deze nanowenteltrappen fabriceren. Het proces is ook verrassend nauwkeurig: ongeveer tachtig procent van de trappen heeft de perfecte vorm.

In de vloeistof met een negatieve brekingsindex, links, lijkt het rietje de tegenovergestelde richting op te wijzen.
In de vloeistof met een negatieve brekingsindex, links, lijkt het rietje de tegenovergestelde richting op te wijzen.

Het gevolg is dat er een vloeistof ontstaat met de optische eigenschappen van de spiraalvormige nanodeeltjes. Lichtdeeltjes, fotonen, bestaan uit een elektrisch veld dat een magnetisch veld, loodrecht op het elektrische veld, opwekt, dat weer een nieuw elektrisch veld, tegengesteld aan het eerste, opwekt en zo voort. Fotonen lijken daardoor  om hun as te draaien. Licht dat net zo draait als de wenteltrap (gepolariseerd licht), wordt geabsorbeerd. Het wordt namelijk omgezet in plasmons, oppervlaktetrillingen in de gouddeeltjes. Licht dat juist tegen de wenteltrap in draait, ontspringt de dans. Dit effect heer circulair dichroïsme en dit is precies wat de onderzoekers waar hebben genomen. Ze kunnen het effect manipuleren door het DNA in de tegenovergestelde richting een spiraal te laten vormen en ook door een laagje zilver op de goud-nanodeeltjes aan te brengen. Dit verandert de frequentie van licht waar de spiralen gevoelig voor zijn. Dit is de eerste keer dat het iemand gelukt is op grote schaal een optisch metamateriaal te fabriceren.

De vloeistoffen kunnen zelfs in vaste stoffen worden omgezet na gebruik van (in de chemische industrie welbekende) kristallisatietechnieken. Dit is niet makkelijk, maar de eerste stappen zijn gezet. Hier zullen we nog meer van horen.

Bouwplaats waarop huizen zichzelf in elkaar zetten
Op die manier zouden materialen met een negatieve brekingsindex gemaakt kunnen worden. Als je een rietje in een vloeistof met een negatieve brekingsindex steekt, lijkt het op een vreemde manier afgesneden te zijn (rechter glas in de afbeelding). Hiermee kan je weer Potter-achtige onzichtbaarheidmantels of microscopen die in een portemonnee passen maken. Hiermee houdt het belang van de ontdekking niet op. In feite biedt deze techniek een zichzelf in elkaar zettende nanostructuur. Stel je voor: een bouwplaats waarop je elk onderdeel van een huis een bepaalde code meegeeft, waarna het zichzelf in elkaar zet. Dat is wat er hier op nanoschaal gebeurt. Hiermee zouden we het nanobouwprobleem radicaal opgelost hebben.

Bron
DNA-based Self-Assembly of Chiral Plasmonic Nanostructures with Tailored Optical Response, ArXiv.org (2011)

Een moleculair vliegwiel vertoont geen haarscheurtjes.

De nanotol als energieopslag

6 reacties / Ideeën en techniek / Door / 15 juli 2011

We kennen allemaal het vliegwiel. Geef er een ruk aan en het blijft maar rondtollen. Veel technici doen onderzoek naar het vliegwiel als manier om energie op te slaan. Maar zou je geen moleculair vliegwiel kunnen bouwen en daar energie in opslaan? Stel je voor, een jerrycan vol met als een razende rondtollende moleculen. Wat zijn de mogelijkheden?

Vliegwiel: hoe sterker, hoe meer energieopslag

Een moleculair vliegwiel vertoont geen haarscheurtjes.
Een moleculair vliegwiel vertoont geen haarscheurtjes.

Alles wat rondtolt bevat energie. Onze aarde, bijvoorbeeld, bevat 2,138×1029 J. Voldoende om de mensheid 500 miljoen jaar mee van energie te voorzien. Die energie is evenredig met het inertiaalmoment van het voorwerp maal de rotatiesnelheid in het kwadraat. Het is dus slim om een zwaar voorwerp zo snel mogelijk te laten draaien. Maar wacht. Hoe massiever een voorwerp is, hoe sterker de krachten waarmee het uiteen wordt gerukt. In de praktijk telt daarom voor ontwerpers van vliegwielen maar één criterium: hoe sterk is het materiaal waarvan het vliegwiel is gemaakt? Nauwkeuriger gezegd: welk materiaal heeft de grootste treksterkte, want daar gaat het in feite om. Vandaar dat de komst van koolstofnanovezels met spanning worden afgewacht in het vliegwielwereldje. Koolstofnanovezels zijn namelijk het sterkst bekende materiaal, sterker zelfs nog dan diamant. In theorie kan je in een vliegwiel van koolstofnanovezel tien tot vijftien keer zoveel energie opslaan als in de beste vliegwielen nu. Dit betekent: een tot twee kilowattuur per kilo. Een vliegwiel van dertig kilo is zo voldoende voor drie- tot zeshonderd kilometer bereik met een auto.

Molecuul sterkst denkbare voorwerp
Het probleem met grote vliegwielen is dat ze zo sterk zijn als de zwakste schakel. Eén haarscheurtje in het materiaal en het spat uiteen. Hoe kleiner het vliegwiel, des te kleiner de kans dat er een scheurtje in zit. Die kans is zelfs nul als een vliegwiel bestaat uit een enkel molecuul. Een molecuul is namelijk zo eenvoudig omdat het, net als Lego, uit identieke blokjes bestaat. Een molecuul bevat geen scheurtjes. Daar is domweg geen ruimte voor. Een molecuul kan dus zo snel rondtollen als de chemische verbindingen tussen de atomen toelaten. Als we dus een molecuul vinden, dat mooi symmetrisch rond is en op de een of andere manier een zeer sterke binding kent tussen de atomen, dan hebben we het ideale vliegwiel. Wel moeten we er op letten dat de atoomkernen van elk samenstellend atoom precies even zwaar zijn. Anders spat het nanowiel door het gewichtsverschil uit elkaar.

Suspensie in supervloeibaar helium?
Het molecuul kan met cirkelvormig gepolariseerd licht (“kurkentrekker-fotonen”)  in beweging worden gezet. Ook moeten de moleculen elkaar niet raken. De beste oplossing is daarom waarschijnlijk de moleculen op te lossen in supervloeibaar helium en er tegelijkertijd voor zorgen dat ze niet aan elkaar gaan kleven (wat een stevige technische uitdaging is, maar mogelijk te verwezenlijken door zogeheten rotons, gekwantiseerde wervelingen, in het helium los te laten). In supervloeibaar helium verliezen de heliumatomen hun identiteit en vormen één “condensaat”. Dus is er ook niets om tegen aan te botsen en energie aan te verliezen. Geladen rondtollende dingen wekken een magnetisch veld op en gaan zich aan elkaar gelijkrichten. Zou dit kunnen werken? In ieder geval is het het overdenken waard.

Staphylococcus aureus is niet opgewassen tegen de nano-sloopkogeltjes. Bron: IBM

Nanokogels slopen multiresistente bacteriën

1 reactie / Mensheid, Wetenschap / Door / 24 juni 2011

Onderzoekers hebben een fundamenteel nieuwe klasse van mogelijke medicijnen ontwikkeld die weinig heel laten van veel antibiotica-resistente bacteriën en schimmels. Nee, geen ingewikkelde biochemie deze keer. Wel een slim en visionair idee.

Antibiotica steeds minder effectief
Antibiotica hebben veel levens gered en zijn één van de grootste ontdekkingen ooit door medische onderzoekers gedaan. Helaas worden na decennia van antibiotica-misbruik, bacteriën nu resistent tegen het ene antibioticum na het andere. Er zijn nu zelfs al bacteriestammen die alleen met giftige, zeer gevaarlijke antibiotica als tigecycline zijn te behandelen. Moeten we niet een heel andere klasse medicijnen proberen te ontwikkelen?

Moleculair stekelvarken

Staphylococcus aureus is niet opgewassen tegen de nano-sloopkogeltjes. Bron: IBM
Staphylococcus aureus is niet opgewassen tegen de nano-sloopkogeltjes. Bron: IBM

Dit laatste is precies wat een groepje onderzoekers van IBM heeft gedaan. James Hedrick en zijn collega’s op het IBM lab van Almaden in San Jose, Californië, ontwikkelden iets dat je het beste kan vergelijken met een kogel op nanoniveau. Hedrick en zijn team gaan uit van een polymeermolecuul dat uit drie delen bestaat. In het centrum een hydrofiel gedeelte (dat water aantrekt) en aan beide uiteinden een hydrofoob (dus waterafstotend) molecuul. Wanneer deze polymeer opgelost wordt in water, ontstaan een soort bolletjes, omdat de sterke aantrekking tussen watermoleculen alle hydrofobe moleculen op een kluitje drijft.  Echter: het andere hydrofobe uiteinde zweeft nog steeds vrij rond. Wat ontstaat heeft nog het meeste weg van een moleculair stekelvarken dat als het ware op zoek is naar een vetrijke omgeving. De vrijzwevende hydrofobe uiteinden van de polymeren worden door de sterke aantrekkingskracht tussen de watermoleculen, een hydrofobe omgeving ingeperst.

Multiresistente grampositieve bacteriën maken geen schijn van kans
Dat is uiterst slecht nieuws voor bacteriën, vooral grampositieve bacteriën. Grampositieve bacteriën hebben namelijk een celwand die uit een vettig laagje bestaat. De nanodeeltjes boren zich in dit laagje en prikken zo de bacterie lek. De deeltjes trekken nog meer polymeren aan, waardoor het gat snel groeit. Uitgerekend grampositieve bacteriën geven de meeste problemen met antibiotica-resistentie. Een berucht voorbeeld van een grampositieve bacterie: de in ziekenhuizen zeer gevreesde MRSA. Gramnegatieve bacteriën hebben een dikke celwand en kunnen worden aangepakt met antibiotica die voorkomen dat de chemische stoffen die in deze celwand voorkomt, wordt aangemaakt. Daardoor kunnen deze bacteriën zich niet meer delen. Grampositieve bacteriën ontsprongen deze dans – tot nu toe.

Veilig voor gebruik in mensen?
Het probleem met deze techniek is dat ook menselijke cellen een vettig celmembraan hebben. Eerdere pogingen om op deze manier af te rekenen met grampositieve bacteriën strandden daarom, omdat ook menselijke cellen door de nanodeeltjes werden vernietigd. Experimenten in vitro, met losse menselijke bloedcellen en ook experimenten met levende muizen die werden geïnjecteerd met de nanodeeltjes, laten hier echter zien dat alleen de bacteriën het afleggen. De reden: de negatieve elektrische lading van menselijke cellen is veel sterker dan die van bacteriën. Hierdoor worden alleen de bacteriecellen doorboord. De muizen overleefden de behandeling en toonden ook geen ziekteverschijnselen.

Klinische proeven starten op redelijk korte termijn
IBM is geen farmaceutisch bedrijf, dus plant zelf niet de nanodeeltjes als medicijn op de markt te brengen. Wel wordt nu onderzoek gedaan naar methoden om de productie van de deeltjes op te schalen. Er is ongeveer twintig kilogram van het materiaal nodig voor klinische proeven op patiënten. Volgens de auteurs kunnen deze verbindingen voor weinig geld worden gemaakt [2]. Het jachtseizoen op killers als MRSA is dan definitief geopend. Voor een bacterie is het namelijk veel lastiger om hier tegen resistentie te ontwikkelen.

Bronnen:
1. New Type of Drug Kills Antibiotic-Resistant Bacteria, MIT Technology Review (2011)
2. F. Nederberg et al., Biodegradable nanostructures with selective lysis of microbial membranes, Nature Chemistry (2011)

De Delta robot bestaat al en kan extreem snel en precies lichte voorwerpen manipuleren.

Ultraprecieze lego-robot

3 reacties / Ideeën en techniek, Wetenschap / Door / 18 juni 2011

Kleine oplages ultraprecieze producten worden nu haalbaar.  Een doctoraalstudent van EFPL’s Laboratory of Robotic Systems heeft een prototype ontwikkeld voor modulaire industriële robots, gebaseerd op de techniek van parallelle robots, die tot op nanoschaal precies kunnen werken.

Lego-robot

Legolas bestaat uit dit soort kubussen, waardoor de robot in heel veel vormen is te monteren.
Legolas bestaat uit dit soort kubussen, waardoor de robot in heel veel vormen is te monteren.

Legolas, genoemd naar de altijd raak schietende elf uit de Lord of the Rings-trilogie van Tolkien, is uit componenten opgebouwd, net als Legosteentjes. Deze verrassende combinatie is bereikt door Murielle Richard in het kader van haar doctoraalonderzoek in het Laboratory of Robotics Systems (LSRO) van EPFL. Haar doel was een industriële robot te creëren die in staat zou zijn een variabel aantal “vrijheidsgraden” te bereiken al naar gelang de behoeften van de gebruikers. “Normaliter duurt de ontwikkeling van een hoge-precisie robot twee tot drie jaar en is erg kostbaar. In de op dit moment zeer snel veranderende industrie, bijvoorbeeld de horlogemakersindustrie, is dat veel te langzaam.”, legt de studente uit.  Ook maken de kleine oplages een duur ontwikkeltraject voor een robot onhaalbaar.

Om de ontwikkeltijd terug te brengen, bedacht Murielle een modulair systeem dat een erg beperkt aantal blokken bevat: actieve of passieve componenten – die wanneer ze gecombineerd worden, robotbouwers vrij eenvoudig in staat stellen snel een groot aantal verschillende types robots te ontwikkelen. “Mijn benadering bestond er uit, een drie-dimensionaal complex probleem terug te brengen tot een combinatie van problemen in twee dimensies”, aldus Richard. In de praktijk komt haar vinding neer op “platen”, uitgerust met motoren, die in één tot drie vrijheidsgraden (bewegingsrichtingen) bewegen. Deze worden op een kubus met ribben van 10 cm aangebracht. Afhankelijk van hun type en individuele eigenschappen, zijn tot zes vrijheidsgraden (drie in elke dimensie en drie draairichtingen) mogelijk voor een willekeurig punt op één van de kubussen. Op dat punt kan een stuk gereedschap, bijvoorbeeld een robothand of een boor, worden bevestigd. Het concept van Richard werd beschreven in een in 2011 verschenen artikel in het wetenschappelijke tijdschrift Mechanical Sciences.

Gebaseerd op de Delta robot

De Delta robot bestaat al en kan extreem snel en precies lichte voorwerpen manipuleren.
De Delta robot bestaat al en kan extreem snel en precies lichte voorwerpen manipuleren.

De technische grondslag van Murielle Richard’s robotproject  is in feite een specialiteit van EPFL. Het samenvoegen van deze verschillende “platen” resulteert in een “parallelle ” robot. Het principe is al gebruikt door de directeur van het onderzoekslab, Raymond Clavel (co-auteur van het artikel). Hij gebruikte dit principe bij het ontwikkelen van de Delta-robot die op dit moment vooral in de verpakkingsindustrie wordt gebruikt.Een delta-robot heeft veel weg van een spin met drie poten die aan elkaar gehecht zijn, zie foto.

Het feit dat verschillende onderling beweegbare onderdelen de eind-effector (het deel dat de bewerking uitvoert) besturen geeft het apparaat een grotere precisie, zoals je iets met twee handen nauwkeuriger vast kan pakken dan met één hand. Door de stabielere constructie kan de robotarm ook veel sneller bewegen. Erg handig als je je productiesnelheid flink wilt opvoeren. Deltarobots kunnen tot driehonderd items oppakken. Per minuut. Daar kan geen sweat shop met uitgehongerde fabrieksarbeiders tegenop.

Voor deze nieuwe toepassing gebruikt Murielle Richard de mechanische eigenschappen van flexibele parallelle structuren. Elk van de “platen” van de robot is samengesteld uit parallelle elementen die met zeer dunne metalen banden worden gekoppeld. De platen worden via vonkerosie uit een massief blok metaal uitgesneden. Omdat deze onderdelen extreem nauwkeurig zijn vervaardigd, is de robot in staat, in iedere richting bewegingen te maken met uiterste precisie.

Vijftig atomen breed
De bedenkers verwachten dat de industrie erg veel interesse zal hebben in deze technologie. Geen wonder. De robot is nauwkeurig tot vijf nanometer precies. Dat is vijftig atomen breed. De kleinste bacterie is bijvoorbeeld nog tweehonderd nanometer breed en de beste chip-etsers halen nu rond de twintig nanometer. Met deze robot zou je in principe in je schuurtje nanorobotjes in elkaar kunnen zetten (al is een elektronenmicroscoop dan wel erg handig). Horlogemakers, optische bedrijven en microtechnologiebedrijven zullen waarschijnlijk zeer veel interesse hebben in deze robot. Dit betekent weer de volgende stap naar een nieuwe techniek, waarbij met behulp van veel minder grondstoffen, veel meer gedaan kan worden.

Bronnen
1. High-precision robots available in kit form
2. M. Richard en R. Clavel, Concept of modular flexure-based mechanisms for ultra-high precision robot design, Mechanical Sciences