Gepriegel met goud

‘Niemand besefte hoe belangrijk dit was’

door Bart Braun

Leidse en Delftse natuurkundigen werken samen aan elektrische verbindingen van één molecuul groot. Met succes. ‘Dit is een mijlpaal: we kunnen nu met complexe moleculen werken, en we weten ook echt wat we aan het doen zijn.’

Eerstejaars natuurkundestudenten doen vrij snel aan het begin van het jaar een proefje met een gouddraadje. Als je zo’n draad heel voorzichtig steeds verder uitrekt, wordt hij in het midden steeds dunner. Op een gegeven moment is hij zo dun, dat slechts één goudatoompje de linker en de rechterkant met elkaar verbindt.

Natuurkundigen vinden dat leuk: als je vervolgens een stroompje over dat draadje laat lopen, kunnen ze bestuderen wat de elektronen precies doen.

Je kan ook nog net ietsjepietsje harder trekken, en dan ontstaat er een ongelofelijk klein gaatje, een zogeten break junction. Daar kan je met wat kunst- en vliegwerk een enkele molecuul in proppen. Vervolgens kan je metingen doen aan dat ene molecuul.

Het schept ook mogelijkheden, in theorie althans. Hoogleraar Jan van Ruitenbeek pakt zijn smartphone tevoorschijn om het te illustreren. ‘Het display van dit apparaat werkt met een dun laagje van zogeheten OLEDS; moleculen die licht uitzenden als er een stroompje doorheen gaat. Dat laagje is nou nog niet één molecuul dik, maar daar wil je wel naartoe. Dan kan je namelijk ook andere eigenschappen van dat molecuul gebruiken.’ Als het molecuul slechts stroom geleid in één richting, heb je een piepkleine diode. Op een vergelijkbare manier zou je andere onderdelen van een elektrische schakeling kunnen bouwen.

Van Ruitenbeek: ‘En als je eenmaal elektronisch kan schakelen met enkele moleculen, komen allerlei toepassingen naar voren. Wegwerpelektronica bijvoorbeeld, zoals pakken melk met bewegende beelden erop. Of muren die werken als beeldscherm.’

De afgelopen tien jaar heeft Van Ruitenbeeks team, samen met collega’s van de TU Delft, stapje voor stapje gezet met de break junctions. ‘We begonnen met het eenvoudigste molecuul van allemaal, waterstof. Het is een simpel molecuul, en daarom weet je precies wat je verwacht te meten. Vervolgens werkten we toe naar steeds complexere moleculen.’

In de Nature Nanotechnology van maart laten Van Ruitenbeek en zijn Delftse collega’s de resultaten zien van hun metingen aan zogeheten zinkporphyrine, vierzijdig symmetrische moleculen met een metaalkern. ‘Dit is een soort mijlpaal’, vertelt de hoogleraar, ‘we laten zien dat we echt met complexe moleculen kunnen werken, en we weten wat we aan het doen zijn.’ Zo konden de onderzoekers precies laten zien op welke manier de elektronen over het porphyrine-molecuul reisden, en konden ze de route ook beïnvloeden met een extra spanningsbron.

Een andere methode om het gedrag van de elektronen te beïnvloeden was het priegelen met de precieze afstand tussen de twee gouden contactpuntjes waar het molecuul tussen gevangen zit. Een paar tienden nanometers bleken al veel verschil te maken, stelden de natuurkundigen vast. Dat komt door een verschijnsel dat spiegellading genoemd wordt. ‘We wisten wel dat het bestond, maar niemand besefte hoe belangrijk het was’, aldus Van Ruitenbeek.

Op zijn whiteboard tekent hij snel een uitleg. Als je een elektrisch geladen voorwerp op een afstandje van een ander voorwerp houdt, ontstaat er in dat tweede voorwerp een tegenovergestelde lading, omdat de elektronen daar zich naar een positieve lading toe bewegen, of van een negatieve lading af. Natuurkundigen noemen die tweede lading een spiegellading omdat hij zich gedraagt alsof hij het spiegelbeeld is van de eerste lading.

Iets soortgelijks – maar dan op veel grotere schaal - gebeurt er voorafgaand aan een blikseminslag, als er op de grond een positieve lading ontstaat als ‘spiegel’ van de negatieve lading aan de onderkant van een wolk. Van Ruitenbeek: ‘Maar zelfs in de punt van één goudatoom in een break junction is het effect van een spiegellading al aanwezig: de elektronen worden aangetrokken door hun ‘spiegelbeeld’ aan de andere kant. Dat effect wordt groter naarmate de twee kanten dichter bij elkaar staan.’

Hij vervolgt: ‘Theoretici hadden allerlei berekeningen gedaan aan moleculaire schakelingen, maar daarbij hadden ze die spiegellading verwaarloosd. Hier hebben we laten zien dat ze al die resultaten kunnen vergeten; als je die lading niet meeweegt is je voorspelling niet betrouwbaar.’

Het artikel over stroompjes door porphyrine is dus niet eens zozeer interessant vanwege de porphyrine zelf, maar vanwege de implicaties voor allerlei verschillende stoffen, legt Van Ruitenbeek uit. ‘De volgende stap is het doen van experimenten met interessante moleculen. Stoffen die werken als een diode, of als transformator. De eerste resultaten uit Delft zijn veelbelovend. We staan nu op het punt dat we ineens een doorbraak in ons begrip en de controle van de materie hebben, en de volgende stap kunnen zetten.’

Zijn eigen grote hoop is dat hij een molecuul kan vinden dat hij kan laten bewegen als er een stroompje doorheen loopt. ‘Dan kan je een moleculaire elektromotor maken.’ Toepassingen worden lastig, geeft hij toe: dan moet je de beweging overbrengen op iets anders. ‘Het lijkt me echter fantastisch om dat als eerste te proberen.’

Deel dit bericht:

Voorpagina

Een bul voor 800 euro

Zondagmiddag, 14.20 u. Damrak, Amsterdam. Telefoon. ‘Hallo, ik sta er al. Waar ben …

Achtergrond

Je blijft toch de homo

Wouter van Dijke (18) deed maandag mee aan de demonstratie voor homorechten. ‘Kijk …

Het belang van de kloof

Politieke benoemingen, bedreigingen en corruptie. De geringe omvang van microstaten als …

Wetenschap

Gepriegel met goud

Leidse en Delftse natuurkundigen werken samen aan elektrische verbindingen van …

Rubrieken

527: Lone wolves

Dinsdag zijn op een Amerikaanse universiteit in Texas 14 studenten door een medestudent …

English page

It's almost all poetry

Lecturer Asghar Seyed-Gohrab has compiled a book on the cinema of his native country …