nanotechnologie

De kwantum dots op deze afbeelding zijn elk enkele atomen breed.

Kwantumdot-zonnecellen: goedkoper en efficiënter

2 reacties / Wetenschap / Door / 20 april 2011

Kwantumdots beloven zonnecellen efficiënter te maken dan de huidige generatie. Ook zijn ze zuiniger met kostbare grondstoffen, want een laagje van maar enkele tientallen atomen dik is al voldoende. Het is nu voor het eerst gelukt om kwantumdots te dopen om ze zo geschikt te maken voor zonnepanelen.

Voor de productie van zonnecellen zijn nu nog dure, zeldzame grondstoffen nodig. China richt al steeds meer barrières op voor de export van strategische mineralen zoals de zogeheten zeldzame aardmetalen.

De kwantum dots op deze afbeelding zijn elk enkele atomen breed.
De kwantum dots op deze afbeelding zijn elk enkele atomen breed.

Kwantumdots efficiënter dan klassieke zonnecellen
Silicium transistors en ook silicium zonnecellen werken omdat ze uit laagjes elektronrijke (n) en p-materialen (met gaten) bestaan. Hierdoor kan de stroom van elektronen door de halfgeleider met spanning worden geregeld: essentieel voor zowel transistoren als zonnecellen.

Het is in theorie mogelijk om dat wat nu door een dikke laag halfgeleider gebeurt, ook door quantum dots, groepjes van rond de duizend atomen met een doorsnede van enkele nanometers, uit te laten voeren. Het theoretisch rendement hiervan is zelfs groter dan dat van klassieke zonnecellen, omdat de golflengtes waarvoor quantum dots gevoelig zijn precies overeen kunnen stemmen met die van zonlicht, door de quantum dots de gewenste eigenschapen en grootte te geven (1).

Dit zou vanzelfsprekend enorm veel grondstoffen schelen. Ook kunnen quantum dots goedkoop worden geproduceerd. Helaas bleek het onmogelijk om quantum dots te “dopen” met atomen die net als n- en p-materialen extra elektronen of juist een elektronengat opleveren. Fosfor- en booratomen, die gewoonlijk worden gebruikt, werken niet in een quantum dot. Materialen op nanoschaal krijgen heel andere eigenschappen, waardoor de andere atomen ze als het ware uit de quantum dot wippen.

Goedkoop te fabriceren
Althans: tot voor kort. De Israëlische onderzoekers Eran Rabani van de universiteit van Tel Aviv en zijn collega prof. Uri Banin van de universiteit van Jeruzalem zijn er in geslaagd afzonderlijke gedoopte quantumdots te produceren. Hierbij gaan ze uit van een oplossing met zilver- of koperionen en voegen deze oplossing geleidelijk toe aan een suspensie (fijne deeltjes zwevend in vloeistof) van kristalletjes indiumarsenide. Dit leidde tot met zilveratomen gedoopte p-dots of met koperatomen gedoopte n-dots.

De nanodeeltjes zijn opgelost in een vloeistof, dus zouden op eenvoudige wijze door een printkop of via een drukpers op plooibare plastic sheets kunnen worden aangebracht.

Indium en zilver zijn weliswaar met enkele honderden euro’s per kilo niet goedkoop, maar per vierkante meter zonnepaneel is van elk minder dan een gram nodig omdat quantumdots zo extreem klein zijn. Indien hier een werkend zonnepaneel van is te fabriceren, dan betekent dat, dat voor enkele tientjes een geheel dak is te bedekken met volwaardige zonnepanelen.

Bron
1. MIT Technology Review: nanodots efficienter dan klassieke zonnecel
2. MIT Technology Review: quantum dots as solar cells

Nanobots kunnen erg nuttig zijn om kankercellen te vernietigen of hartaanvallen te voorkomen.

Grey goo: nanobots op rooftocht

6 reacties / Ideeën en techniek, Wereld, Wetenschap / Door / 29 maart 2011

Onzacht val je op de grond. Je ziet dat een grijze  massa de poten van je bed aan het opeten is. In paniek ren je je huis uit. De hele straat zakt weg. Dan vallen er plotseling gaten in je kleren… Nanorobotjes zijn ongeveer zo klein als een virus en beloven veel: een revolutie in het winnen van grondstoffen, industrie en geneeskunde om maar wat te noemen. Wat zou er gebeuren als ze op hol slaan en bijvoorbeeld besluiten een ontbijtje mens te proberen?

Nanotechnologie
Dingen verkleinen heeft grote voordelen. Je hebt veel minder energie en grondstoffen nodig om hetzelfde te bereiken. Zo kan een goede zakjapanner meer dan de kolossale ENIAC-computer die met 30 ton een complete huiskamer in beslag nam. De kleinst denkbare schaal op dit moment is die van het individuele atoom. Nanotechnologie is techniek die dingen tot op atoomniveau gericht manipuleert. Nanotechnologie belooft daarmee enorme voordelen, want alles om ons heen is te vervaardigen door atomen op een andere manier te schikken. Geen wonder dat overheden overal ter wereld vele miljarden in onderzoek naar nanotechnologie pompen.

Nanorobots
Nanobots (of nanorobots) zijn bestuurbare machines op nanoschaal.

Nanobots kunnen erg nuttig zijn om kankercellen te vernietigen of hartaanvallen te voorkomen.
Nanobots kunnen erg nuttig zijn om kankercellen te vernietigen of hartaanvallen te voorkomen.

Alle onderdelen, zoals motoren, batterijen en grijparmen zijn opgebouwd uit groepjes atomen. Het vergt een enorm gepriegel om dingen op nanoschaal te bouwen of te manipuleren. Zo heb je een elektronenmicroscoop met een scherpe tip nodig om individuele atomen te zien en te verschuiven. Daarom maken veel onderzoekers gebruik van kant-en-klare onderdelen als enzymen (natuurlijke nanobots, als het ware), koolstofnanobuisjes en dergelijke. Veel onderzoekers zien het meeste in oppervlakken met nanoeigenschappen. Dit is inderdaad het makkelijkst (oppervlaktes met nanostructuren kan je gewoon etsen of printen, zoals nu met chips gebeurt) en ook safe.

Voor veel toepassingen zijn nanorobots echter interessanter. Zo zou een zwerm nanorobots het leven van patiënten kunnen redden door bloedstolsels en aderverkalking weg te beitelen of kankercellen uit te moorden. Ook kan je nanomijnwerkers goudatomen laten zoeken terwijl jij slaapt. Omdat nanorobots zo lastig te bouwen zijn, ligt het voor de hand nanorobots andere nanorobots te laten bouwen. Zo hoef je immers maar één nanorobotje te bouwen, dat zichzelf vervolgens kopieert.

Grey goo
In het grey goo doemscenario, bedacht door nanoprofeet Eric K. Drexler in zijn boek Engines of Creation ontsnappen zich zelf vermenigvuldigende nanorobots. Drexler heeft daar overigens nu grote spijt van, hij vindt dat andere nanogevaren veel urgenter zijn. Ze kunnen voldoende energie opwekken om de atomen die ze nodig hebben op te sporen en te gebruiken om nieuwe nanorobots te bouwen. Alles om hen heen is grondstof om meer kopieën van zichzelf te maken. Alles in hun bereik: huizen, bomen, mensen, rotsen, lucht – verandert in een wriemelende massa nanobots. Er is geen redden meer aan. Zelfs het laten vallen van een atoombom helpt niet: de drukgolf verspreidt de nanobots zelfs nog verder. In een tijdsbestek van enkele weken of maanden is de hele planeet overdekt met nanobots die de aarde en zijn bewoners tot op het bot (en verder) afkluiven. Astronauten aan boord van de ISS zien hoe de hele aarde verandert in een zwarte klont.

Reëel?
Er is op dit doemscenario uiteraard het nodige aan te merken. Zo is energie op nanoschaal op veel plekken schaars. Kernenergie is uitgesloten, tenzij de nanobots een grote kerncentrale construeren m.b.v. bijvoorbeeld chemische energie. Ook kernfusie zou in theorie mogelijk zijn. Chemische energie is zeer schaars. Om een nanobot zichzelf met behulp van chemische energie te laten kopiëren, vereist een veelvoud van de hoeveelheid atomen  als brandstof. Een ander fundamenteel probleem is hoe de nanorobots van de afvalwarmte af kunnen komen. Atomen herschikken vereist de nodige energie. Al te hard kunnen nanobots dus niet groeien zonder zichzelf in de problemen te brengen. Langzaam groeiende nanobots kunnen zonlicht gebruiken als energiebron. Er bestaan op dit moment al zonnepanelen die efficiënter zijn dan planten. Ook langzaam replicerende nanobots hebben vervelende gevolgen: omdat ze zo klein zijn als bacteriën, zijn ze nauwelijks te vinden en dus onuitroeibaar.

Technisch is grey goo in de middellange toekomst denkbaar. Sterker nog, onze aarde is al verzadigd met biologische replicators die bijna alles kunnen omzetten in zichzelf: bacteriën.

An de andere kant: iemand zal zo dom (en technisch briljant) moeten zijn om een volledig onafhankelijke nanorobot die zichzelf kan vermenigvuldigen te bouwen. Onderzoekers verwachten dat dit met strenge regelgeving te voorkomen is en productieprocessen zo te ontwerpen, zodat er geen losse reproducerende robots op nanoschaal hoeven te bestaan. Ter geruststelling: een universele nanobot die van heel veel materialen kan leven, is vermoedelijk uiterst lastig, zo niet onmogelijk te bouwen.

Bron: Eric K. Drexler, Engines of Creation

De nanometermicroscoop in actie. Laserlicht wordt verstrooid en vervolgens op een listige wijze zo geconcentreerd dat er een optisch onmogelijk scherp brandpunt ontstaat. Door het object met dit brandpunt af te tasten, ontstaat een 3D beeld op nanoschaal.

Nanomicroscoop met licht

4 reacties / Wetenschap / Door / 22 maart 2011

De elektronenmicroscoop krijgt er een stevige concurrent bij. Opticus Allard Mosk van de Universiteit Twente heeft een techniek ontwikkeld om met een goedkope omgebouwde lichtmicroscoop details tot minder dan honderd nanometer, enkele honderden atomen breed, te ontwaren. Komt goedkope laboratoriumapparatuur voor de Derde Wereld dichterbij?

Duivels dilemma
Zichtbaar licht heeft golflengtes van vierhonderd tot zevenhonderd nanometer. Dat betekent dat hoe we ook ons best doen, we hiermee geen details kleiner dan vierhonderd nanometer kunnen zien. Licht buigt domweg om kleinere voorwerpen heen. Daarom moeten voor kleinere afmetingen andere dingen dan zichtbaar licht worden gebruikt. De nieuwste chips worden bijvoorbeeld gebakken met behulp van ultraviolette straling of zelfs röntgenstraling met een golflengte van enkele tientallen nanometers. Elektronen bieden een nog scherpere resolutie. Kwantummechanisch gezien hoort bij elk deeltje (zoals een elektron) een golf. Hoe zwaarder of energierijker het deeltje, hoe korter de golf. Bij elektronen praten we dan over groottes kleiner dan een nanometer. Helaas zijn elektronenmicroscopen peperdure en nogal logge apparaten, hoewel er tegenwoordig  modellen zijn die op een bureautafel geplaatst kunnen worden. Ook zijn zowel röntgenstraling als elektronen nogal destructief. Levende organismen zijn hierdoor out of the question. Vervelend, want juist deze herbergen nog veel raadsels op nanoschaal.

De nanometermicroscoop in actie. Laserlicht wordt verstrooid en vervolgens op een listige wijze zo geconcentreerd dat er een optisch onmogelijk scherp brandpunt ontstaat. Door het object met dit brandpunt af te tasten, ontstaat een 3D beeld op nanoschaal.
De nanometermicroscoop in actie. Laserlicht wordt verstrooid en vervolgens met de lichtmodulator zo geconcentreerd, dat er een optisch onmogelijk scherp brandpunt ontstaat. Door het object met dit brandpunt af te tasten, ontstaat een 3D beeld op nanoschaal.

Kijken op nanoschaal
Met de ontdekking door opticus Allard Mosk van de universiteit Twente lijkt hieraan een einde gekomen te zijn. Het blijkt namelijk dat door het oppervlak van de lens op een bijzondere manier te etsen, met de golf veel kleinere details waar zijn te nemen dan volgens de klassieke optica mogelijk is. Mosk slaagde er in om met laserlicht van 561 nm golflengte details van 97 nm zichtbaar te maken, bijna zes keer kleiner dan optisch mogelijk dus. Het systeem werkt door gebruik te maken van verstrooiing. Laserlicht bestaat uit licht dat exact in fase is. Kleine verstoringen, ook obstakels van enkele nanometers groot, verstoren dit en leiden tot diffractiepatronen.

Bouw van de nanomicroscoop
Mosk maakt gebruik van een systeem in twee stappen. In de eerste fase wordt laserlicht door een lens met een onregelmatig, oneffen oppervlak verstrooid. Dit licht vormt een oneffen diffractiepatroon dat wordt uitvergroot, door een lichtgevoelige CCD-chip wordt opgevangen en teruggerekend naar de vorm van de oorspronkelijke bundel. Nu het diffractiepatroon exact bekend is, kan aan de hand daarvan worden berekend hoe de ruimtelijke lichtmodulator moet worden aangepast om de lichtbundel zich te laten concentreren in een brandpunt. De microscoop is vanaf dan klaar voor gebruik.

Gebruik zonder al te veel bewegende onderdelen
Als een object in het brandpunt geplaatst. Van dit object kunnen hierdoor details ruim onder de honderd nanometer worden waargenomen. Door de objecten punt voor punt te scannen krijgt een microscopist een driedimensionaal beeld van het object met een zeer hoge resolutie. Door de lichtmodulator aan te passen kan het brandpunt namelijk worden verschoven. Mosk en de zijnen verwachten met deze proefopstelling de brandpuntsgrootte te kunnen laten dalen tot 72 nm.

Toepassingen
Deze techniek is erg goedkoop en zeer breed toe te passen. Niet alleen zal het kunnen leiden tot een kleine revolutie op microbiologisch terrein, ook is de techniek uitstekend te gebruiken voor het etsen van nanostructuren. Voor massafabricage is de techniek weliswaar minder geschikt, maar er kunnen natuurlijk wel zeer nauwkeurige mallen op nanoschaal mee kunnen worden uitgeëtst. Wordt gekozen voor ver-ultraviolet met golflengtes tot tien nanometer, dan kan de resolutie (afhankelijk van wat de minimale golflengte is die nog volledig verstrooid kan worden door een UV-equivalent van een ruwe grenslaag) zelfs nog veel meer omhoog. Kortom: deze doorbraak brengt de nanowereld veel dichterbij, op den duur zelfs voor de gewone man en vrouw.

Bronnen
Universiteit Twente
Arxiv
Arxiv Blog

De eerste stap slaat het Rb-atoom aan. De tweede stap perst het foton er in. De derde stap is het opgeslagen, terwijl het door middel van een zwakke laserpuls in de vierde stap wordt uitgelezen.

Kwantumgeheugen van één atoom

4 reacties / Wetenschap / Door / 11 maart 2011

Voor het eerst zijn wetenschappers er in geslaagd om in een individueel atoom informatie op te slaan. Wordt deze techniek op grote schaal toepasbaar, dan kunnen bijvoorbeeld alle woorden die alle mensen die ooit hebben geleefd, ooit hebben uitgesproken, worden opgeslagen in minder dan een gram materie, bijvoorbeeld een suikerklontje.

Atoomgeheugen voor quantum bits
Vergeet de steeds grotere rekenkracht of hoeveelheid geheugen. De grootste vooruitgang in de computertechniek is geboekt in het steeds sneller en compacter opslaan van data. De wat oudere lezers herinneren zich misschien nog de ponskaartmachines. IBM is daar groot mee geworden.

De eerste stap slaat het Rb-atoom aan. De tweede stap perst het foton er in. De derde stap is het opgeslagen, terwijl het door middel van een zwakke laserpuls in de vierde stap wordt uitgelezen.
De eerste stap slaat het Rb-atoom aan. De tweede stap perst het foton er in. De derde stap is het opgeslagen, terwijl het door middel van een zwakke laserpuls in de vierde stap wordt uitgelezen.

Een bit op een ponskaart bestaat uit de aan- of afwezigheid van een gaatje dus de informatiedichtheid was niet bijster hoog. Met de komst van magneettape, harde schijven en de moderne solid-state geheugens is de informatiedichtheid werkelijk geëxplodeerd. Op de beste magnetische harde schijven vandaag de dag zijn de magnetische gebiedjes honderd bij honderd nanometer, dat is rond de duizend atomen lang en breed, groot.

Met een nieuwe techniek zijn nu echt geheugens op atoomschaal gerealiseerd. Sterker nog: het atoom slaat de weerbarstige qubits, kwantumbits op wat nog veel grotere mogelijkheden voor berekeningen geeft. Niet alleen zullen kwantumcomputers veel sneller zijn dan bestaande computers, ze worden dus, zo lijkt het, ook nog eens veel kleiner.

Hoe werkt het systeem?
Het systeem dat ontwikkeld is door Holger Specht en zijn collega’s aan het Max Planck Instituut voor Quantum Optiek in het Duitse Garching propt de kwantuminformatie van een gepolariseerd lichtdeelte (foton) in een rubidiumatoom en weet het later uit te lezen.
Hierbij wordt het lichtdeeltje met het rubidiumatoom opgesloten in een holte waar het lichtdeeltje heen en weer kaatst. In ongeveer negen procent van de gevallen is dat lang genoeg om het rubidiumatoom de energie (en kwantuminformatie) te laten opslaan. Het atoom slaagde er in de quantumbit voor 180 microseconden op te slaan. Extreem kort, maar voor een computer een eeuwigheid: op de pc waar ik op werk is deze tijd bijvoorbeeld voldoende om honderdduizenden bewerkingen uit te voeren.

Het atoom moet eerst met een zwakke laserstraal in de juiste aangeslagen toestand worden gebracht, waarna het het foton op kan slokken. Met een tweede laserpuls wordt het atoom er toe gebracht het foton met de kwantuminformatie weer af te staan. Specht denkt dat hij de opslagtijd zelfs kan vergroten tot enkele seconden. Toepassingen zijn onder meer een quantum repeater, een soort versterker om kwantuminformatie over langere afstanden te kunen transporteren. Er zijn meerdere onderzoeksgroepen in de race om het ultieme kwantumgeheugen te ontwikkelen, maar toch is dit een zeer veelbelovend resultaat.

Bronnen
ArXiv Blog
ArXiv

De Enterprise trekt een buitenaards ruimteschip naar zich toe met de beroemde trekstraal.

Echte tractorbeam mogelijk

1 reactie / Universum, Wetenschap, Zonnestelsel / Door / 28 februari 2011

Een tweetal onderzoekers bedachten een manier om met een laserstraal voorwerpen naar zich toe te trekken. En, anders dan de holle-laserstraal methode, deze methode werkt ook in het luchtledig. Wordt de trekstraal, de tractor beam uit Star Trek, dan nu echt realiteit?

Star Trek-fans kennen de tractor beam: een onmisbare accessoire van de Enterprise waarmee allerlei objecten naar het schip toegesleept kunnen worden. Een trekstraal leek tot voor kort pure science-fiction. Immers: alle elektromagnetische straling kent een moment (voor de liefhebbers: Poyntingvector) in de bewegingsrichting van de laserstraal. Met andere woorden: met een laserstraal duw je voorwerpen van je af. Wellicht ken je van de middelbare school nog het lichtmolentje: zonlicht laat een zeer licht molentje in een luchtledige stolp draaien omdat de fotonen tegen het molentje weerkaatsen.

Holle tractor beam werkt alleen in een gas
In de herfst van 2010 ontwikkelden een aantal Australiërs een methode om met een holle laserstraal kleine voorwerpen naar zich toe te trekken. De methode werkt alleen in een gas zoals  lucht: het hete deel waar de laser schijnt kaatst alles weg. waardoor het voorwerp in de holle bundel blijft. Voorwerpen tot honderd keer zo zwaar als een bacterie kunnen zo verplaatst worden. Aardig, maar in het interstellaire luchtledig helpt dit natuurlijk niet erg om een oorlogsschip met agressieve aliens te enteren.

Trekstraal in vacuüm
In China, waar ook veel Star Trek fans rondlopen, hebben Jun Chen en zijn collega’s daar nu wat slimmers op gevonden, althans in theorie. Het principe werkt alleen als de laserstraal in kwestie nauwelijks tegen het deeltje aanduwt.

De Enterprise trekt een buitenaards ruimteschip naar zich toe met de beroemde trekstraal.
De Enterprise trekt een buitenaards ruimteschip naar zich toe met de beroemde trekstraal.

Als de laserbundel het voorwerp zijdelings raakt, worden dipolen op het grensvlak van het voorwerp geraakt. Als er door deze dipolen meer straling wordt verstrooid van de laserbron af gericht dan er naar toegericht, wordt het voorwerp per saldo naar de laser toegetrokken. Dit kan alleen bij bepaalde typen bundels. Het effect is heel zwak en werkt alleen als er geen gradiënt is, d.w.z. als de laserstraal niet samenkomt of zich verspreidt in het gebied waar het voorwerp zich bevindt. Ook is het bij zeer kleine deeltjes uiteraard lastig de straal precies de rand te laten raken.

Op weg naar de trekstraal
Chen denkt dat deze trekstraal erg geschikt is om nanodeeltjes mee te manipuleren. Voor stukjes antimaterie, die ontploft als deze in aanraking komt met normale materie is deze techniek uiteraard ideaal. Om een Klingon warbird of andere akelige aliens mee aan te pakken is deze trekstraal veel te zwak. Sorry, Star Trek-bedenker Gene Roddenberry. Wat dat betreft zullen we nog moeten wachten op iets als Star Treks mythische gravitonmanipulator – al lijkt het er steeds meer op dat gravitonen helemaal niet bestaan.

Waarschijnlijk bestaan er nog andere, interessanter methodes om een trekstraalachtig ding te bouwen. Zo is het vacuüm helemaal niet zo leeg als het lijkt. Zou je bijvoorbeeld de Casimir-kracht op een exotische wijze kunnen manipuleren, dan lacht Roddenberry misschien nog wel het laatst…