Als je naar het strand gaat, kun je aan de golven zien waar de zandbanken liggen. Zandbanken zijn groot, en verstoren de golfbeweging van het water. Om kleine dingen als krabbetjes en de autosleutels die je zojuist verloren bent tijdens het surfen, slingeren de golven heen.
Licht gedraagt zich als een golf, en net zoals zeegolven te groot zijn voor autosleutels, zijn er ook dingen die te klein zijn om met lichtgolven te zien. Een gewone microscoop is dan niet meer genoeg. Er zijn verschillende manieren om nog verder in te zoomen op de wereld, en Leidse natuurkundigen zijn goed in één van die manieren: de zogeheten tastmicroscopie.
Het idee daarachter is betrekkelijk eenvoudig: een klein naaldje beweegt over het oppervlak van datgene dat je wilt bestuderen. Zit er een bobbel, dan gaat het naaldje omhoog, en bij een kuil gaat het naaldje – fysici spreken van de cantilever – omlaag. Met een laser kun je supernauwkeurig meten hoeveel omhoog en omlaag precies, en dan heb je informatie over je monster.
De praktijk is lastig. Dat naaldje is slechts enkele honderdsten van een millimeter groot. Allerlei krachten en effecten die in de grotemensenwereld nauwelijks een rol spelen, worden op ultrakleine schaal ineens reuze belangrijk. Tastmicroscopie lijkt op een blinde die braille leest, als het boek aan zijn vingers bleef plakken en hem af en toe een elektrische schok gaf. Als je dat soort problemen weet te omzeilen, heb je ook echt wat: een tastmicroscoop kan ongeveer duizend keer zo klein ‘kijken’ als een lichtmicroscoop, zodat je er bijvoorbeeld kristalroosters en eiwitstructuren mee kunt bestuderen.
Wat je niet kan doen met zo’n scanning probe-microscoop, is zien wat er onder het oppervlak zit. Dat is jammer, want dat zou soms best handig zijn. Bijvoorbeeld als je een computerchip hebt gemaakt door allerlei laagjes elektronica op elkaar te stapelen, en wilt weten of alle laagjes zijn gelukt.
De afgelopen vier jaar heeft promovendus Gerard Verbiest gewerkt aan een tastmicroscoop die wel onder het oppervlak van zijn samples kan kijken. Komende dinsdag hoopt hij op zijn resultaten te promoveren. Zijn aanpak combineert de gewone tastmicroscoop met een ultrageluid-echo, ongeveer vergelijkbaar met wat zwangere stelletjes doen om te kijken naar hun aanstaande baby. Je stuurt een geluidsgolf – zo hoog dat je hem niet kunt horen, vandaar dat het ultrageluid heet – door de buik. Baby’s zijn van ander spul gemaakt dan vruchtwater, en dus weerkaatsen ze het ultrageluid op een andere manier, die verschillen kan je meten en via de computer vertalen in een plaatje.
Ook dit werkt niet zo eenvoudig op de pietepeuterige schaal van de microscopen. Om te beginnen slingeren de ultrageluidsgolven net zozeer om je cantilever heen als lichtgolven dat doen.
Daar valt wat op te verzinnen, legt Verbiest uit. ‘Je gebruikt twee ultrasone geluidsignalen, eentje door de naald en eentje door je monster. Doordat die twee mengen, ontstaat een lager frequent signaal, net zoals een radio de ultrahoge radiofrequenties omzet in tonen die je wel kunt horen.’ Omdat je precies weet welke signalen je hebt verstuurd, kun je uit het mengsignaal informatie halen over de binnenkant van je monster.
Dat klinkt eenvoudig, maar voordat zoiets daadwerkelijk werkt, ben je maanden verder. Verbiest: ‘In het begin kregen we altijd een signaal, ook als we het naaldje weg lieten. De elektronica in de microscoop lekte naar elkaar; overspraak heet dat verschijnsel. Met hulp van de fijnmechanische dienst en de elektronische dienst van het natuurkunde-instituut haalde Verbiest zijn microscoop uit elkaar, om sommige onderdelen beter te isoleren en andere te vervangen. ‘We hebben geleerd dat details hier een belangrijke rol spelen, en dat de vaak toegepaste theoretische standaardbenadering voor het mengsignaal niet de realiteit beschrijft’, vat de natuurkundige het droogjes samen in zijn proefschrift.
Vervolgens was het tijd voor een test. Ziet de aangepaste microscoop het verschil tussen een plakje plastic en een plakje plastic met goudbolletjes erin? Het antwoord was ja, maar het zag er heel anders uit dan je zou verwachten. ‘Je zou denken dat je meer signaal ziet boven de bolletjes, maar dat signaal neemt juist af’, aldus Verbiest. Alsof er holtes in je plastic zitten, in plaats van metaal. ‘Het is een hele lange weg geweest tot we wisten wat de verklaring was. Er zijn allerlei effecten die dit zouden kunnen verklaren, en die moesten we één voor één uitsluiten.’
Uiteindelijk bleek dat door de geluidsgolf de goudbolletjes een beetje gaan rammelen. Die beweging kost energie, en daardoor verliest het ultrasone geluid een gedeelte van zijn sterkte, en dat verklaart dan weer het lagere signaal. Het werkt misschien niet zoals je op papier zou verwachten, maar het werkt wel. Dat geeft hoop, niet alleen voor chipsbakkers maar ook voor materiaalwetenschappers en nanotechnologen. Zelfs biologen en artsen zouden belangstelling moeten hebben: in principe kan je met zo’n microscoop aan levende cellen meten wat er aan de binnenkant van de cel gebeurt.
Gerard J. Verbiest
Unravelling Heterodyne Force Microscopy.
promotie is dinsdag 19 november