nanochemie - Chemische Feitelijkheden

ChemischeFeitelijkhedeneditie 50 | nr 227 | juni 2006DE CONTEXT Nano is de maatDE BASIS Werken met moleculenDE DIEPTE Speeltuin van nanobuisjesAUTEUR: MARIAN VAN OPSTALNANOCHEMIEKlein, kleiner, kleinstFoto: Mark Leonard, Heriot Watt University, Edinburgh, UK.Nanotechnologie is het sleutelen aan atomen enmoleculen. Terwijl veel chemici zich nog behelpenmet gekleurde plastic bolletjes en staafjes of metcomputersimulaties, is de moleculaire wereld al werkelijkheidvoor nanotechnologen. Inmiddels lijkt het allemaalnano wat de klok slaat: nanochips, nanodeeltjes, nanodraadjes,nanobuisjes, nanomedicijnen, nanorobots en nanolaboratoria.Bijna ieder vakgebied houdt zich met de nieuwe technologiebezig.Vaak vormt de natuur daarbij een inspiratiebron. De evolutieheeft immers talloze spontaan geordende systemenvoortgebracht en deze nanomachines vormen de motor vancomplexe levensprocessen. Op basis daarvan wordt geprobeerd(nano)bouwstenen te syntheseren voor toekomstige‘slimme’ producten en materialen.Tot die bouwstenen behoren ook koolstof nanobuisjes – dezusjes van de bekendere buckyballen. Er wordt veel verwachtvan deze bijzondere buisjes, bijvoorbeeld in chips of sensoren.Maar voorlopig lijken ze toch vooral het speelterrein vanonderzoekers.In deze Chemische Feitelijkheid• De Context: Nano hier, nano daar. Wat houdt nanochemieprecies in, en wat staat ons allemaal nog te wachten?• De Basis: Groningse onderzoekers hebben nanoschakelaarsen nanomotoren gemaakt met spiegelbeeldmoleculen.Hoe speelden ze dat klaar?• De Diepte: Volgens insiders hebben nanobuisjes de toekomst.Welke struikelblokken moeten deze koolstofstructurennog overwinnen? |

2 DE CONTEXTNANOCHEMIE CHEMISCHE FEITELIJKHEDEN | JUNI 2006Nanotechnologen sleutelen aan atomen en moleculen. Zo hopen ze betere materialente maken, of snellere computers en nóg kleinere deeltjes. Nanotech is hot, maar wathoudt het precies in en wat belooft deze nieuwe tak van wetenschap?Demaatnanometer is deZou het niet mooi zijn als je minusculerobots zou kunnen doorslikkendie in je lichaam op jacht gaannaar ziekteverwekkers? Iets dergelijksgebeurde al in de sciencefictionfilmFantastic Voyage uit 1966. Daarin gingHollywood aan de haal met een idee vande vermaarde Amerikaanse fysicus enNobelprijswinnaar Richard Feynman. Hijwas in de jaren vijftig de eerste wetenschapperdie het serieus voor mogelijkhield dat materie beheersbaar is op atomairen moleculair niveau.Natuurkundige wetten staan dit gedachtegoedniet in de weg. In de levende celdraait de moleculaire machinerie immersop volle toeren bij de opbouw en afbraakvan vitale verbindingen als eiwitten, koolhydratenen vetten. Feynman voorzag eentoekomst waarin de mens een soortgelijkemachinerie zou gebruiken om elkedenkbare stof te maken. Zijn ideeënvormden het fundament voor de nanotechnologie.Nano is afgeleid van het Oudgrieksewoord nanos, dat dwerg betekent.NANOCOATINGSMicromotor gemaakt van nikkel en plexiglas metbehulp van een speciale lithografietechniek om driedimensionalemicrostructuren te realiseren. Hierbijwordt gebruik gemaakt van synchrotronstraling.Daarmee is niets teveel gezegd, want eennanometer meet 10 -9 meter ofwel eenmiljoenste millimeter. Ter vergelijking:een menselijke haar is ongeveer 100micrometer dik – altijd nog 100.000 keerméér dan een nanometer. In één nanometerpast een rijtje van tien waterstofatomenof vijf wat grotere siliciumatomen,en een DNA-molecuul heeft eendiameter van 2 nanometer. Inmiddelshebben tal van wetenschappers zichDe ontwikkeling van zelfreinigende coatingsvalt eveneens binnen de nanotechnologie. Dewerking berust op eigenschappen van nanostructuren,want men probeert bij zo’n coating het zogeheten‘lotuseffect’ te imiteren. Dankzij een bijzonderenanostructuur aan het oppervlak blijft eenlotusbloem altijd maagdelijk schoon. Die structuurbestaat uit een speciale waslaag in combinatie meteen zeer ruw oppervlak van kegeltjes, waarop weerbolletjes zitten van ongeveer 0,1 à 1 micrometergroot. Waterdruppels komen altijd terecht op diebolletjes – de toppen van het oppervlak – en vallenniet dieper doordat ze stevig liggen en doordat delager gelegen waslaag waterafstotend is. Bij bewegingvan de bloem rollen de druppels van het bladaf en nemen ze onderweg al het vuil en stof mee. |gestort op deze ‘wereld van het kleine’. Zijfocussen op alles wat zich afspeelt tussende 0,1 en 100 nanometer, de schaal vanatomen en moleculen.DROOM EN WERKELIJKHEIDZo klein als die schaal lijkt, zo grootblijkt het terrein waarover nanotechnologiezich verspreidt. Veelbelovendetoepassingen worden overal gemeld. Vande computerbranche tot de chemischetechnologie, van de geneeskunde tot demateriaalkunde en elektronica. Het lijktallemaal nano wat de klok slaat: nanochips,nanodeeltjes, nanodraadjes, nanobuisjes,nanomedicijnen, nanorobots ennanolaboratoria. Het ultieme doel: snellerecomputers, betere medicijnen, efficiëntereenergieproductie, gezondere voedingen slimmere materialen.De ontwikkelingen in laboratoria gaanbovendien vliegensvlug. Succesvolle experimentenhebben bijvoorbeeld nanosensorsopgeleverd om ziekten op te sporenen zeer kleine analysers die specifiekemoleculen kunnen detecteren – een zogehetenlab-on-a-chip. Maar de weg van‘proof of concept’ naar alledaagse toepassingis nog lang. Nanorobots die in hetlichaam kankercellen vernietigen ofmoleculaire motors die op macroniveauarbeid verrichten, blijven voorlopig toekomstdromen.Dichter bij de werkelijkheid staat denanomicroscopie: het gebruik van scanningtunneling microscopie (STM) en atomicforce microscopie (AFM). Beidemicroscopische tasttechnieken zorgdentwee decennia terug voor een wetenschappelijkedoorbraak in de nanotechnologie.Kon men met een lichtmicroscoopdeeltjes tot ongeveer één micrometerwaarnemen, met deze nieuwe technieken

CHEMISCHE FEITELIJKHEDEN | EDITIE 50 | NUMMER 227Scanning tunneling microscopen kunnen atomen‘zien’ door de buitenkant van materialenaf te tasten, waardoor de afzonderlijke atomenaan het oppervlak zichtbaar worden. De verwanteatomic force microscopen kunnen atomenbovendien verplaatsen. Ontdekkers GertBinnig en Heinrich Rohrer ontvingen hiervoorin 1986 de Nobelprijs voor natuurkunde.is de vergroting opgevoerd met een factorduizend. Daardoor komt de nanowereldletterlijk in beeld: door met een ultradunnenaald zeer nauwkeurig een materiaalof object af te tasten, wordt het oppervlakop moleculair en atomair niveau zichtbaar.De naald scheert rakelings over hetoppervlak en registreert een signaal datafhangt van hobbels en oneffenheden inde nanostructuur. Het gemeten signaalwordt omgezet in een driedimensionaalreliëfplaatje van het oppervlak.Dergelijke microscopen zijn nu zó verfijnden verbeterd dat ze geschikt zijnvoor routinematig gebruik. In hetNanolab van de Radboud UniversiteitNijmegen zijn STM- en AFM-techniekenbijvoorbeeld commercieel beschikbaar.Bedrijven kunnen er terecht om kleinefoutjes op te sporen in producten of processen.Een afwijking op nanoniveau, dievoor een gewone microscoop onzichtbaarblijft, kan bijvoorbeeld verklaren waaromeen partij CD’s is mislukt.LOTUSEFFECTDoor het nanogestructureerde oppervlak rollende waterdruppels van het blad en nemenen passant al het vuil mee.VAN GROOT NAAR KLEINDe zoektocht naar ‘moleculaire maakbaarheid’door moleculen te assemblerentot werkzame systemen heet in denanotechnologie de bottom-up benadering.Een andere manier om in het nanodomeinterecht te komen is de top-downbenadering: miniaturisering, de ontwikkelingvan groot naar klein en nog kleiner.Deze vorm van nanotechnologie is sterkverbonden met de ICT-sector. Schakelingen(transistoren) worden steeds kleiner,waardoor er op één chip steeds meertransistoren passen. Een moderne computerchiptelt er al meer dan 125 miljoen– die per stuk nauwelijks 90 nanometerbreed zijn. We spreken dan ook niet meervan microchips, maar van nanochips.Een ander mooi voorbeeld zijn zogehetennanosuspensies. Suspensies zijnvloeistoffen waarin onoplosbare deeltjes(colloïden) bewegen. Ze worden onderandere gebruikt voor de productie vanvloeibare zeep, verven, crèmes, zalven,sprays en sauzen. De trend is om deeltjessteeds kleiner te maken, zodat de werkingvan deze producten verbetert. Ook hier isde nanogrens inmiddels bereikt, want inde VS schijnen de meeste nano-octrooienop naam te staan van cosmeticafabrikantl’Oréal.DE CONTEXTNANOGENEESKUNDEMEDICIJN ALS PAARD VAN TROJEGeneesmiddelen verpakken om ze vervolgens opde juiste plaats in het lichaam te krijgen (drugtargeting) is niet bepaald nieuw. Wél nieuw is,behalve het modewoord nanogeneeskunde, dat deeerste in nanobolletjes verpakte medicijneninmiddels op de markt zijn verschenen. Voordeelvan dergelijke geavanceerde middelen is dat zevooral lokaal – dus op de plek van de aandoening –hun werk doen. Daarmee blijven bijwerkingen inandere delen van het lichaam beperkt. Gert Stormvan de Universiteit Utrecht verpakte bijvoorbeeldeen corticosteroïde, een ontstekingsremmer diewordt gebruikt tegen reuma en artritis, in een liposoom.Dit vetbolletje van 100 nanometer grootbeschermde hij tegen aanvallen van het immuunsysteemdoor het aan de buitenkant te omgevenmet de polymeer polyethyleenglycol. Eenmaal op deplek van de ontsteking aangekomen breken specialeontstekingscellen (macrofagen) de liposomen af,waarna het medicijn vrijkomt.Storm en zijn collega’s hebben aangetoond dat hunaanpak uitstekend werkt tegen reuma, en bij toevalontdekten zij dat ook tumoren ermee behandeldkunnen worden. Nadeel is dat de liposomen bijhoge doses ook naar de handen en voeten migreren,waardoor tijdelijk huidirritaties kunnen optreden.Dit gebeurt bijvoorbeeld wanneer het antitumormiddeldoxorubicine in de liposomen wordtverpakt. Als spin-off van dit onderzoek is met subsidievan BioPartner het bedrijf Enceladus opgericht,dat momenteel klinische studies doet met hetliposomale corticosteroïde. |3NANOCHEMIENanomedicijnen die als kleine robots ziekecellen uit de weg ruimen.KOFFIEDIK KIJKENOndanks alle hoge verwachtingenmaken sommige mensen zich ookzorgen over de veiligheid en onbekendheidvan het nanodomein. Door de kleineschaal treden we immers een wereldbinnen die niet meer aan de klassiekenatuurwetten gehoorzaamt, maar waardingen zich gedragen volgens de wettenvan de kwantummechanica. Er is dan ookweinig bekend over eventuele schadelijkeeffecten van nanodeeltjes. In 2003 publiceerdede Canadese milieu-organisatieETC een rapport waarin wordt gewaarschuwdvoor nadelige gezondheidseffecten,zoals die al bekend zijn van fijn stof.Niet voor niets heeft de Europese commissieeind 2005 zeven miljoen euro uitgetrokkenvoor het ‘Nanosafe’-project,waarin de veiligheid van nanodeeltjesmoet worden onderzocht.Onderzoek volop, maar slechts weinigenwagen zich aan een voorspelling over watnanotechnologie over vijftig jaar voor onsin petto heeft. Dat blijft koffiedik kijken.De huidige nanoschakelaars en -motorenvormen eigenlijk niet meer dan de eerstevoorzichtige stappen richting moleculairemaakbaarheid. Toch verwachten deskundigendat de tijd tussen fundamenteleontdekkingen en de introductie van innovatievenanoproducten op de markt veelkorter zal zijn dan bij lasers. Gelukkigmaar, want daarbij liet de grootschaligemassaproductie van CD-spelers en barcode-scannersdestijds zo’n dertig jaar opzich wachten. |Antonio Siber; nanoatlas.ifs.hr

4DE BASISNANOCHEMIE CHEMISCHE FEITELIJKHEDEN | JUNI 2006Onze cellen zijn complexe chemische microfabrieken, waarin nanomachines enmoleculaire processen het leven gaande houden. In het lab proberenwetenschappers dergelijke nanostructuren na te bootsen.moleculenWerken metHet menselijk lichaam is een fascinerendeverzameling van moleculairemachines. Neem bijvoorbeeldde optische retinal-schakelaarwaardoor we kunnen zien, of de ribosomendie als eiwitfabriek fungeren in cellen.Of, minstens zo mooi: de motoreiwittenmyosine en actine die alle bewegingenmogelijk maken. Onze spieren wordenaangedreven door de interactie vanbeide eiwitten; myosine ‘loopt’ daarbij alshet ware over actine heen, waardoor eenspier samentrekt.Eén van de belangrijkste gereedschappenwaarvan de natuur zich bedient ommoleculen te activeren en bioprocessenmogelijk te maken is zelf-organisatie. Inprincipe is elk eiwit – of het nu gaat omVoorbeeld van een nanomotor die werkt met eensoort propeller. Het geheel bestaat uit drieonderdelen: een vast gedeelte, een as en een rotordie ronddraait. Het vaste gedeelte is voorzien vantwee pootjes waarmee de motor kan worden verankerd.Chemisch gebeurt dit door twee ketens aanelkaar te koppelen die ieder bestaan uit drie of vierhexagonale koolstofringen. De twee onderdelenvan het molecuul zijn precies in het midden metMOLECULAIRE MOTOReen motoreiwit, een transporteiwit, eenenzym of een receptor – niet meer daneen aaneengeregen keten aminozuren.Afhankelijk van de functie vouwt dieketen zichzelf tot een specifieke structuur,bijvoorbeeld tot een membraaneiwit datmoleculen de cel in of uit transporteert.MOLECULAIRE ARCHITECTENLange tijd lagen de finesses van denatuur buiten bereik van het menselijkkunnen. Maar dat zou snel veranderen,zo dacht men toen de nanotechnologiein ras tempo de wereld begon te veroveren.Er werd een fantastische toekomstvoorspeld, waarin nanomachines uiteindelijkzelfs zichzelf in elkaar zouden kunnenknutselen. Die nanohype is inmiddelselkaar verbonden door een dubbele covalente binding.Dit vormt de draaias. Aan het onderstegedeelte van het molecuul hechten twee zwavelatomendie fungeren als de pootjes. Wanneer destof over een dunne goudplaat wordt uitgesmeerd,plakken de zwavelpootjes spontaan – via zelfassemblage– aan de goudmoleculen. Onder invloedvan uv-licht draait het bovenste gedeelte van hetmolecuul om zijn as.rotordraaiasstatorgoudover zijn hoogtepunt heen. Serieuzenanowetenschappers hebben het nietmeer over materialen die atoom vooratoom in elkaar worden gezet, maar zijnnu druk bezig met het synthetiseren vanmoleculen die de bouwstenen kunnenvormen voor toekomstige ‘slimme’ productenen materialen. Biologische systemenen componenten vormen hun groteinspiratiebron.Chemici zijn zeer bedreven in hetmaken van allerlei verbindingen. Datkunnen bulkstoffen zijn die in grote hoeveelhedenworden geproduceerd, maarook fijnchemicaliën. In het laatste gevalworden met grote precisie stoffen gesynthetiseerddie specifieke eigenschappenhebben, bijvoorbeeld geneesmiddelen.Nanochemici gaan echter nog een stapjeverder. Als moleculaire architecten ontwerpenzij moleculen met voorgeprogrammeerdeen controleerbare functies.Waar de natuur zich moet bedienen vaneen beperkt aantal bouwstenen zoalsaminozuren en suikers, beschikt de nanotechnicusover een legodoos vol moleculairebouwstenen.SPIEGELBEELDENEen voorbeeld daarvan zijn chiralemoleculen. Chiraliteit ofwel spiegelbeeldsymmetriebetekent dat een en hetzelfdemolecuul twee varianten kent.Zowel een links- als rechtsdraaiendeenantiomeer, die qua (chemische) eigenschappenvan elkaar kunnen verschillen.Dit principe vormt de basis van een optischenanoschakelaar: een chiraal molecuuldat onder invloed van licht overgaatvan de ene chirale vorm naar de andere.Op die manier kan met licht een bepaaldefunctie aan- of uitgeschakeld worden.Door die aan- en uitstand te definiëren

CHEMISCHE FEITELIJKHEDEN | EDITIE 50 | NUMMER 227DE BASIS5NANOCHEMIE120 0actine-fiberstreptavidine120 0 120 0OPTISCHE SCHAKELAARSlichtSF1-ATPaseN NO 2NNO 2Membraan-eiwitcomplex F1-ATPase. Aan heteiwit is een sliertvormige actine-fiber bevestigd.ATP-moleculen worden gevormd als hetmiddelste gedeelte van het eiwitcomplex omzijn as draait.Slinksdraaiende vormEen moleculaire schakelaar die bestaat uit twee spiegelbeeldvormen van hetzefde molecuul. Onderinvloed van licht klapt de schroefvormige helixstructuur om van links- naar rechtsdraaiend. De synthesevan dit soort moleculen is zeer complex en tijdrovend: vaak zijn tien of meer afzonderlijkestappen nodig om tot het gewenste resultaat te komen.Srechtsdraaiende vormRU Groningenals een ‘0’ en een ‘1’ kan het systeem intheorie worden gebruikt voor data-opslag.Met zo’n moleculaire schakelaar als transistorzou een opslagcapaciteit in de ordevan terabytes (10 12 bytes) haalbaar zijn. Alschuilt er een addertje onder het gras: hetopslaan van data is geen probleem, maarhet uitlezen wel. Daartoe zouden de moleculenafzonderlijk ‘geadresseerd’ moetenkunnen worden. En dat lukt nog langniet, omdat de moleculaire transistorsveel te dicht op elkaar gepakt zijn. Zelfsscanning tunneling microscopie biedt geensoelaas, want met de huidige techniekkunnen alleen geïsoleerde moleculengemanipuleerd worden.NANOMOTOR LEVERT ARBEIDCHIRALE MOTORENChirale moleculen zijn ook de bouwstenenvoor moleculaire motoren. Deonderzoeksgroep van de Groningse hoogleraarBen Feringa had in 1999 de primeurvan zo’n nanomotor. Het betrof eenchiraal moleculair systeem dat uv-lichtomzet in een gecontroleerde rotatie. Deene helft van de chirale schakelaar draaitdaarbij ten opzichte van de andere helft– wat een rotatie oplevert van ongeveer100°. Voor een volledige rotatie van 360°moeten een aantal schakelaars gecombineerdworden. Normaal gesproken is erin zo’n systeem echter geen voorkeursrichtingvoor de draaiing. En dan heb je infeite een motor die willekeurig voor- enachteruit loopt.Dit probleem losten de onderzoekers opdoor diastereomeren te maken: moleculenmet twee chirale centra in plaats vanéén. Onderling beïnvloeden beide centraelkaar zodanig dat onder invloed van lichtrotatie plaatsvindt in één specifieke richting.Met deze ‘stuurbare’ beweging wasde moleculaire motor geboren.Aanvankelijk waren vier afzonderlijkestappen nodig om de motor een volledigeomwenteling te laten maken, maar erwerd vervolgens flink gesleuteld aan hetroterende molecuul. Dankzij deze verfijninghaalt de tweede generatie motorenvijftig omwentelingen per seconde – eenmiljoen keer zoveel als hun voorgangers.In plaats van hoog-energetisch uv-lichtgebruiken ze inmiddels zichtbaar licht.Ook zijn er motormoleculen ontwikkelddie een chemische reactie gebruiken alsenergiebron. En door twee ‘pootjes’ aande moleculen te koppelen, kunnen demoleculen zelfs als een soort buitenboordmotorworden vastgezet aan eengoudbolletje.Nanomotoren kunnen op macroscopisch niveau arbeid leveren: aangedreven door moleculairerotoren draait een klein glasstaafje rond binnen een matrixpatroon. De afmeting van dit staafjebedraagt 5 bij 28 micrometer. Vanuit menselijk perspectief gezien is dat klein, maar vergeleken methet formaat van een motormolecuul heeft dit staafje reusachtige dimensies.MINDER FUTURISTISCHDe volgende stap is het maken van groteremacroscopische structuren metnanobouwstenen. Basistechnologie daarvooris de supramoleculaire chemie,waarbij moleculen met uiteenlopendestructuren en functies geïntegreerd wordenin één werkzaam systeem. De groepvan Feringa is er al in geslaagd om hunmoleculaire motoren te mengen metvloeibare kristallen. Onder invloed vanlicht gaan de nanomotors draaien enoriënteren de kristallen zich anders,waardoor de kleur verandert. Dit biedteen aanknopingspunt voor de ontwikkelingvan slimme displays.In een andere experimentele toepassingwerd geprobeerd de moleculaire bewegingop macroschaal te benutten. Dekunst is om via spontane ordening eengroot aantal nanomotors te laten hechtenaan een oppervlak. Het is gelukt om opdeze manier een soort nanowindmolenparkte creëren, dat onder invloed vanlicht in beweging komt. Door de gezamenlijkewerking van de motormoleculenkunnen objecten in beweging wordengebracht die meer dan tienduizend keergroter zijn dan de moleculen zelf.Beide experimenten tonen aan dat metde moleculaire motor arbeid kan wordenverricht op macroscopische schaal. Ditvormt een goede basis voor de verdereontwikkeling van nanopompen of nanomixers,die via lichtpulsen aangestuurdkunnen worden. Voorlopig blijft het speculerenof dit ook tot alledaagse toepassingenzal leiden. Maar vast staat dat nanotechnologenhun grip op functionele nanobouwstenenverstevigen en dat ze steedsmeer fundamentele principes van zelforganisatieweten bloot te leggen. De nanowereldwordt minder futuristisch. |

6DE DIEPTENANOCHEMIE CHEMISCHE FEITELIJKHEDEN | JUNI 2006Ze ogen als een rol kippengaas, maar dan ontelbare keren kleiner: nanobuisjes vankoolstof. Volgens voorspellingen zijn ze ideaal voor supersterke materialen,razendsnelle chips en hypergevoelige sensoren. Even geduld echter, wantnanobuisjes lijken de labtafel nog niet ontgroeid.Proeftuinvan nanobuisjesRond 1985 raakten wetenschappersin de ban van de buckybal. Naastgrafiet en diamant bleek deze bolvormigestructuur een derde vorm vankoolstof. In buckyballen zijn zestig koolstofatomenmet elkaar verbonden in vijfenzeshoeken – precies als in een voetbal.De bijzondere structuur van het koolstofleverde bijzondere eigenschappen op,waardoor de wetenschappelijke belangstellingsnel was gewekt.Amper vijf jaar later werd een vierdevorm van koolstof ontdekt: de nanobuis,een holle cilinder van koolstofatomen. DeJapanse onderzoeker Sumio Iijima beschreefdeze voor het eerst in 1991. Hijkwam de buisjes tegen tussen roetdeeltjesen ontdekte dat ze bij zeer hoge temperaturen(minimaal 800 °C) ontstaan uitmethaangas. Onderzoekers waren directonder de indruk van deze nieuwe nanodeeltjes,omdat de buisjes zo egaal ensterk zijn. Ze worden inmiddels verwerktPacific North West LaboratoryKoolstofbuisjes met zes lagen enzymen zijngevoelige biosensors.in allerlei producten, variërend van autobandentot telescopen.AANTREKKELIJKDe koolstof nanobuisjes bestaan uitaaneen geschakelde zeshoekige koolstofringen,waardoor een holle, buisvormigestructuur ontstaat met een diametervan ongeveer één nanometer. De lengtevan de buisjes varieert van éénduizendstetot ééntiende millimeter. Ze zijn nietalleen sterk, maar ook licht. Deze eigenschappenmaken nanobuisjes zeer aantrekkelijkals grondstof voor kabels. Diezouden duizend keer sterker zijn danstaal en toch zesmaal zo licht. Russischewetenschappers zijn er al in geslaagd omop laboratoriumschaal een vezel te makenvan de nanobuisjes van grafiet, maar hetgaat nog om experimentele ontwerpen entechnieken die nog verder ontwikkeldmoeten worden.Behalve bijzondere mechanische kwaliteitenhebben nanobuisjes ook opvallendegeleidende eigenschappen. Sommigevarianten zijn metallisch, andere halfgeleidend.De halfgeleidende buisjes kunnengebruikt worden als een zeer kleinetransistor, die afhankelijk van de spanningveel of juist nauwelijks stroom doorlaat.Hoe de buisjes elektronen transporteren,hangt af van de manier waarop zezijn opgerold. De hoek waaronder de atomengerangschikt zijn ten opzichte vande lengterichting verschilt per buis.NANO-ELEKTRONICANanobuisjes zijn enkelvoudige moleculenen daardoor geschikt om elektrischegeleiding te bestuderen op moleculaireschaal. Acht jaar geleden lukte hetElektronische circuits van nanobuisjes opeen chip.Delftse onderzoekers onder leiding vanprof. Cees Dekker als eersten om elektrischegeleiding te meten in individuelemoleculen. Daarmee zetten zij eenbelangrijke stap op weg naar nanoelektronica.De onderzoekers toondenaan dat nanobuisjes gebruikt kunnenworden in elementaire ‘moleculairelektronische’schakelingen, die elektronischefuncties kunnen realiseren zoalsin een computer. Maar helaas zijn deresultaten tot nu toe vrij mager: de moeilijksteberekening ooit met nanotransistorsgemaakt is 3 ∑ 5 = 15.Het blijkt nog erg lastig om dergelijketransistors in grote hoeveelheden aanelkaar te koppelen. Eén van de problemenis dat bij de productie van nanobuisjeseen mengsel ontstaat van verschillendesoorten deeltjes. Sommige hebben meerderewanden, andere hebben wel degewenste enkele wand, maar zijn atomairniet zodanig gerangschikt dat ze halfgeleidendzijn. Voor het maken van transistorsselecteert men de buisjes eerstafzonderlijk via atomic force microscopie.Wanneer een geschikt buisje is gevonden,worden daaromheen twee elektrodes enUniversity of Pennsylvania

CHEMISCHE FEITELIJKHEDEN | EDITIE 50 | NUMMER 227Koolstofstructuren in de vorm van buckyballen enholle cylinders (nanobuizen).een elektrisch circuit geëtst. Dat is zeerarbeidsintensief en tijdrovend. Chipsbestaan tegenwoordig uit honderden miljoenentransistors en het is natuurlijkondoenlijk om nanobuisjes stuk voor stukop het chipoppervlak te brengen.VERBETERDE PRODUCTIEEen idee voor een snellere productievan dergelijke chips is om de koolstofnanobuisjes via zelfassemblage te latenkoppelen aan de chip. Dat kan via dnamoleculen:een stukje enkelstrengs dnawordt dan aan de nanobuisjes gehecht,terwijl het daaraan complementaire dnawordt bevestigd aan het chipoppervlak.Op die manier vinden de nanobuisjes zelfhun plaats en ontstaat de chip via spontaneordening. Onderzoekers hebben aangetoonddat dit principe werkt, maar voorgrootschalig gebruik moet deze zelfassemblageverder verfijnd worden.A G T C T G NH 2enkelstrengs dnaHOCOgeactiveerd nanobuisjeEen ander idee is om de buisjes op dechips te laten ‘groeien’. Daartoe wordenop de gewenste plekken ijzerdeeltjes aangebrachtdie als katalysator werken. Devoorbewerkte chip plaatst men vervolgensin een oven die gevuld is met methaangas.Door een elektrisch veld aan te brengengroeien de buisjes in de gewensterichting. Deze aanpak blijkt te werken, alspeelt ook hier een probleem: de elektrischecircuits moeten handmatig wordenaangebracht. Op nanoschaal groeit ernamelijk al gauw iets scheef en bijwww.nccr-nano.orggebruik van een standaard ets zouden denanobuisjes nooit precies op de voorbestemdeplek en in de juiste richting groeien.Wetenschappers van IBM hebbenonlangs echter een specifiek bindingsmolecuulontworpen en gesynthetiseerdwaarmee het wél mogelijk is een nanobuisjeprecies op een bepaalde plek teplaatsen. Het molecuul werkt als eenintermediair tussen nanobuisje en chipoppervlak.Hierbij wordt een siliciumplaatje, voorzien van banen aluminiumoxide,gedoopt in een mengsel van nanobuisjesen de ‘intermediaire’ moleculen.Die hechten aan het aluminiumoxide,maar laten los als het siliciumplaatjewordt verhit tot 600 °C. Dankzij Van derWaals-interacties blijven de nanobuisjesdaarbij op hun plek.BIOSENSORBehalve op een chip kunnen nanobuisjesook gebruikt worden als transistorin een sensor. Er wordt momenteel hardgewerkt aan dit soort nanosensors. Die lijkenbijvoorbeeld bruikbaar om in bloedminieme concentraties eiwitten en anderebiodeeltjes (zoals virussen) te detecteren.Voordeel van koolstof nanobuisjes isdat ze extreem gevoelig zijn: als er ééndeeltje vastplakt aan de buis, beïnvloedtdit direct de geleidbaarheid. Om eennanosensor selectief te maken voor éénbepaalde stof gebruiken wetenschapperseen bioactief molecuul, zoals een enzymof een antilichaam.Onderzoekers van het AmerikaansePacific Northwest National Laboratoryhebben op deze manier selectieve nanobiosensorsgerealiseerd. De koolstofbuisjeswerden gecoat met een geladen polymeer,dat vervolgens bindt aan een enzym– in dit geval glucoseoxidase. Glucose inhet bloed bindt met het sensorenzym,waarbij een redoxreactie een stroompjeveroorzaakt dat gedetecteerd kan wordenals gevolg van de veranderde geleidbaarheidvan het koolstofbuisje.De meetmethode moet nog geperfectioneerdworden. De gevoeligheid valt bijvoorbeeldverder te verhogen door meerderelagen van het polymeer-enzym tegebruiken. Deze tak van wetenschapbevindt zich echter nog in een proeftuin.Echte vooruitgang wordt pas geboekt alser een stroomverschil gemeten kan wordenzodra één enkel molecuul aan eennanobuisje bindt. Theoretisch is het daneveneens mogelijk om vorm- en ladingsveranderingenvan een bepaald eiwit in detijd te volgen. |DE DIEPTE7NANOCHEMIEKWANTUMMECHANICAVERSTILDE BEWEGINGNanobuisjes mogen dan een nanometer dik zijn,ze kunnen enkele micrometers lang zijn.Gedragen ze zich als objecten die je met het bloteoog kunt zien en volgen ze de klassieke mechanicawetten,of zijn ze zó klein dat ze luisteren naar dewetten van de kwantummechanica? Waar liggen degrenzen van de wereld die met klassieke natuurkundewordt beschreven? Interessante fundamentelevragen, waarmee nanotechnologen zich volopbezighouden.In de kwantummechanica kan het gedrag vanindividuele deeltjes alleen in termen van waarschijnlijkheidworden uitgedrukt. Die waarschijnlijkhedenworden beschreven door golffuncties.Anders gezegd: de kans dat een deeltje zich tijdenseen bepaald meetmoment ergens of in een bepaaldeenergietoestand bevindt. In theorie kunnenwetenschappers kwantumdeeltjes identificeren aande manier waarop deeltjes zouden trillen bij hetabsolute nulpunt. Het is echter niet eenvoudig omdeze nulpuntsbeweging te berekenen. Niet alleen ishet lastig een temperatuur van min 273 °C te bereikenof er dicht in de buurt te komen, ook is hetmoeilijk om de trillingen van nanobuisjes te meten.Als die trillingen er bij de lage temperaturen nogzijn, bedragen ze waarschijnlijk slechts enkele picometers(een miljardste millimeter). Tot nu toe is hetnog niemand gelukt dit waar te nemen. |Gripp Ontwerpen / TUDelftArtist impression van nanobuizen met daaropafgebeeld de golffuncties. De waarschijnlijkheidwaarmee op een bepaalde plaatselektronen zijn aan te treffen wordt aangegevendoor de hoogte van de pieken; degebruikte kleuren benadrukken dat extra. Deatomaire opbouw van een nanobuisje ishexagonaal, weergegeven met de 'gaas'-achtige structuren. Duidelijk zichtbaar is datde periodiciteit van het golfpatroon andersis dan die van het atoomrooster.

8 AANVULLENDE INFORMATIENANOCHEMIE CHEMISCHE FEITELIJKHEDEN | JUNI 2006Meer wetenFoto: Bastienne WentzelAANBEVOLEN LITERATUUR- Om het kleine te waarderen: een schets van nanotechnologie:publiek debat, toepassingsgebieden en maatschappelijke aandachtspunten,2004. Den Haag, Rathenau Instituut, 2004.ISBN: 90-77364-05-6- Eric K. Dexler ‘Engines of creation’, 1986. Garden City,Achor/Doubleday, ISBN: 0-385-19972-4- Hoe groot kan klein zijn? Kanttekeningen van de Werkgroep‘gevolgen nanotechnologie’, 2004. Den Haag, KoninklijkeNederlandse Akademie van Wetenschappen- Victor E. Berisenko en Stefano Ossicini ‘What is what in thenanoworld: a handbook on nanoscience and nanotechnology’,2004. Weinheim, Willey-VCH, ISBN: 3-527-40493-7AANBEVOLEN WEBSITES- Nanoned, het netwerk voor nanotechnologie in Nederland:www.nanoned.nl- Nanotechnologie onderzoek, KNAW:www.onderzoekinformatie.nl/nl/oi/nanotechnologie/- Verschillende artikelen over nanotechnologie op kennislink:www.kennislink.nl- EU over nanotechnologie: http://ec.europa.eu/research/leaflets/nanotechnology/index_nl.html- Nanotechnologie voor leerlingen en docenten in het voortgezetonderwijs: www.natuurkunde.nl/artikelen/view.do?supportId=710099VOOR OP SCHOOL1. Zelforganisatie in eiwitten wordt geregeld door de primaire,secundaire en tertiaire structuur. Beschrijf deze structuren.2. Geef aan welke inter- en intramoleculaire krachten de zelforganisatievan eiwitketens bepalen. Wat zijn verschillen enovereenkomsten met zelforganisatie in nanobuisjes?3. Geef met illustraties drie voorbeelden van enantiomere chiraliteit.4. Maak een (foto)montage waarin je de werking van retinal inhet oog illustreert.Een schakeling waarmee onderzoekers van de TU Delft de kwantummechanischeeigenschappen van nanodeeltjes meten.5. Als je een doos met kiezelstenen van divers formaat schudt,krijg je een zelforganisatie naar grootte van de stenen. Maakeen geschikt model om zelfordening van (vloeibare) kristallenmet behulp van een chirale moleculaire motor te illustreren.6. Geef aan waardoor vloeibare kristallen gezien hun ruimtelijkevorm wél en eiwitketens minder geschikt zijn voorgebruik in LCD’s.7. De optische schakelaar maakt gebruik van licht van diversegolflengtes om de pi-binding van de dubbele binding (tijdelijk)op te heffen en draaiing mogelijk te maken. Elektronenuit de HOMO gaan naar de LUMO en zorgen tijdelijk vooreen anti-bindende baan. Leg uit waardoor de chirale schakelaardiverse golflengtes gebruikt.8. De synthese van chirale moleculaire schakelaars is complex.Stel je begint met 1000 gram grondstof en elk van de tienreactiestappen heeft een rendement van 10 procent. Hoeveelgram chirale schakelaar heb je dan in je reageerbuis?9. Nanobuisjes bestaan uit ‘kippengaas’ dat is opgerold. Geefovereenkomsten en verschillen met grafiet, diamant en buckyballen.10. Op atomair niveau speelt kwantummechanica een rol. Hetantwoord op de vraag 'wat is een elektron?' blijkt dan niet gemakkelijkte zijn. Formuleer jouw voorstelling van een elektron.Hoe wordt een elektron in de wetenschap geschetst?COLOFONNANOCHEMIEChemische Feitelijkheden: actueleencyclopedie over moleculen,mensen, materialen en milieu.Losbladige uitgave van de KNCV,verschijnt drie maal per jaar met intotaal tien onderwerpen.Redactie:Alexander Duyndam (C2W)Marian van Opstal (Bèta Communicaties)Arthur van Zuylen (Bèta Communicaties)Gerard Stout (NoordelijkeHogeschool Leeuwarden)Basisontwerp: Menno LandstraRedactie en realisatie:Bèta Communicatiestel. 070-306 07 26betacom@planet.nlUitgever:Roeland DobbelaerBèta PublishersPostbus 249, 2260 AE Leidschendamtel. 070-444 06 00fax 070-337 87 99info@betapublishers.nlAbonnementen opgeven:AbonnementenlandDe Trompet 1739, 1967 DB Heemskerktel. 0251-31 39 39fax 0251-31 04 05aboservice@aboland.nlAbonnementen kunnen elk momentingaan. Abonnementen wordenautomatisch verlengd tenzij vóór1 november van het lopende jaar eenschriftelijke opzegging is ontvangen.Abonnementen:• papieren editie en toegang totdigitaal archief op internet:eerste jaar(inclusief verzamelmap): € 90,-KNCV- en KVCV-leden: € 80,-tweede jaar en verder: € 56,-KNCV- en KVCV-leden: € 46,-• alleen toegang tot digitaal archiefop internet:eerste jaar: € 70,-KNCV- en KVCV-leden: € 60,-tweede jaar en verder: € 45,-KNCV- en KVCV-leden: € 40,-editie 50nummer 227juni 2006Met dank aan:• Dr. Peter Hadley, TU, Delfte-mail: p.hadley@tnw.tudelft.nl• Prof. Dr. Ben Feringa,Rijksuniversiteit Groningene-mail: b.l.feringa@chem.rug.nl• Drs. Tomas van Dijk,wetenschapsjournaliste-mail tomasvd@xs4all.nl• Ir. Iddo Heller, TU Delfte-mail: i.heller@tudelft.nl