Print deze pagina 27 april 1998 1998/02

Jacob Kistemaker Prijs 1998

De Stichting FOM heeft de Jacob Kistemaker Prijs 1998 toegekend aan prof.dr. H.H. Brongersma (58), die als hoogleraar in de natuurkunde is verbonden aan de Technische Universiteit Eindhoven (TUE). Brongersma is tevens directeur van Calipso BV, een expertisecentrum op het gebied van oppervlakteanalyse bij de TUE. Hij krijgt de prijs, groot 25.000 gulden, voor de ontwikkeling van een techniek die Low Energy Ion Scattering heet.

Hierbij wordt een oppervlak beschoten met betrekkelijk langzaam bewegende ionen - elektrisch geladen atomen. De ionen botsen met atomen in de allerbuitenste laag van materialen. De energie van de teruggekaatste ionen geeft gedetailleerde informatie over de massa van het deeltje waarmee elk ion heeft gebotst. Daaruit kan nauwkeurig de samenstelling van die laag worden afgeleid. Deze techniek is in de hele wereld een standaard analysemethode geworden. Een geavanceerde en wereldwijd unieke versie van deze techniek - EARISS geheten - vormt het hart van de apparatuur van Calipso. EARISS is een belangrijk hulpmiddel bij zulke uiteenlopende onderwerpen als onderzoek aan katalysatoren, polymeren, halfgeleiders, hechtingsprocessen, toepassingen van keramiek en ontwikkeling van nieuwe kathodes. Gebruikers uit de wereld van de wetenschap en de industrie uit binnen- en buitenland laten door Calipso analyses uitvoeren.

FOM kent de Jacob Kistemaker Prijs eens in de drie jaar toe, voor natuurkundig onderzoek dat nieuwe wetenschappelijke inzichten heeft opgeleverd en bovendien is toegepast in andere vakgebieden, de techniek of de industrie. De prijs zal later dit jaar worden uitgereikt.

Achtergrondinformatie

Biljarten met ballen van allemaal verschillende afmeting en verschillende massa (gewicht). Daar vergelijkt Brongersma de door hem ontwikkelde Low Energy Ion Scattering (LEIS)-techniek mee. Wanneer twee ballen met elkaar botsen, dan wordt er bewegingsenergie overgedragen. In welke mate dat gebeurt hangt af van de massa en de snelheid van de botsende ballen. Op Brongersma's biljarttafel kan hij de massa en de bewegingsenergie van de ballen waarmee hij stoot - de ionen - precies kiezen. Door ionen te nemen die snel neutraliseren (ionen van edelgasatomen) zorgt hij ervoor dat de ionen die in het materiaal doordringen geneutraliseerd (en daarmee onzichtbaar) worden. Op deze manier kan hij selectief de allerbuitenste atomen aan het oppervlak bestuderen. Met wat voor ballen (atomen in het materiaal) de ionen botsen merkt Brongersma vanzelf als hij de energie van de teruggekaatste ionen meet. Bij een bekende energie en massa van het ion levert elke botsing één bepaalde energie op die uitsluitend afhankelijk is van de massa van het atoom waarmee gebotst is. Met de nieuwste apparatuur, die uniek in de wereld is, kan Brongersma met zeer grote gevoeligheid de samenstelling van het echte oppervlak bepalen. Voor sommige elementen zijn zelfs concentraties van 1 ppm (een miljoenste deel van de oppervlakteatomen) nog haalbaar.

Alles draait om de buitenste laag atomen

Alles wat er onder alledaagse omstandigheden aan oppervlakken gebeurt, elke chemische reactie aan een oppervlak wordt bepaald door de buitenste atoomlaag van het materiaal. Daarom is gedetailleerde kennis over hoe de buitenste laag is samengesteld en wat erin gebeurt, van groot belang voor tal van technische materiaaltoepassingen en zeker voor het begrip ervan. Zo vond Brongersma voor allerlei chemische katalysatoren dat de activiteit precies te begrijpen is uit de samenstelling van het oppervlak die hij met zijn LEIS-apparatuur bepaalt, terwijl dit met de gebruikelijke technieken (die twee of meer atomen diep kijken) niet lukt. Brongersma geeft een grappig voorbeeld van een toepassing. Zijn onderzoekgroep werd jaren geleden benaderd door een Engelse fabrikant van snoeppapiertjes. Op de wikkels moesten stukjes glimmen als goud, zoals bij de marsrepen, om in de winkel bij het lopen langs de vakken de aandacht te trekken. Nu had de fabrikant de techniek daarvoor in huis, maar om de een of andere onbegrijpelijke reden werkte het proces opeens niet meer. Wat men ook probeerde, men kreeg die glimmende laag niet meer gemaakt. Met zijn LEIS-techniek ontdekte Brongersma dat bij het procédé in Engeland een bepaalde verontreiniging in het oppervlak van het materiaal voor de wikkel terecht kwam en kennelijk net in zo'n hoeveelheid dat het glimmen onmogelijk gemaakt werd. Daarmee was ook het probleem opgelost. Brongersma veronderstelt dat in de fabriek het proces langzamerhand veranderd was. Toen de verontreiniging te groot werd, ging het mis.

De eerste stappen

Na zijn promotie aan de Rijksuniversiteit Leiden in 1968, kwam Brongersma bij Philips terecht. Daar mocht hij gaan doen wat hij interessant vond. Het werd werken aan oppervlakken met ionenbundels. Tijdens zijn promotie-onderzoek had hij al gekeken naar de wisselwerking tussen elektronen met lage energie en moleculen. Als je het elektrisch veld in de apparatuur omdraait, kun je positief geladen ionen in plaats van negatieve deeltjes (elektronen) bestuderen. In het begin van de jaren '70 schreef hij zijn eerste publicaties over de wisselwerking tussen langzame ionen en oppervlakken en in 1976 was daar NODUS. Dit apparaat is nog steeds een standaard om met é én detector de energieverdeling van de teruggekaatste ionen, en dus de samenstelling van het oppervlak, te bepalen. Met NODUS werden in samenwerking met BASF, Bayer en de Koninklijke/Shell met succes diverse katalysatoren onderzocht. Omdat de ionen op den duur het oppervlak kapot schieten, bleven de mogelijkheden voor onderzoek aan dit soort materialen echter beperkt.

Nadat hij vervolgens nog leider van het onderzoek aan de VLP/compact disc en groepsleider van het glasonderzoek bij Philips was geweest, werd Brongersma in 1981 benoemd bij de Technische Universiteit Eindhoven. "Als je bij een technische universiteit zit, moet je alledaagse materialen kunnen onderzoeken", vond hij. De LEIS-techniek leek daarvoor bij uitstek geschikt, maar de gevoeligheid schoot ernstig te kort. Hiervoor was een grote sprong in de techniek nodig. Met zijn groep ontwikkelde hij daarom een nieuw type apparaat en een nieuw soort detector. Dankzij deze Energy and Angle Resolved Ion Scattering Spectrometer (EARISS) is de gevoeligheid nu een factor 1000 groter dan die van LEIS-apparatuur elders in de wereld. Pronkstuk van dit apparaat is een dubbeltoroïdale spiegelanalysator, in het Eindhovense laboratorium in de wandelgangen 'de tulp' genoemd. Deze analysator is zo groot als een vuist en een staaltje techniek van de bovenste plank. Nauwe samenwerking met de technische diensten van de technische universiteit hebben de realisatie mogelijk gemaakt.

De EARISS vormt het hart van Calipso. Met de apparatuur kunnen 'live', zonder dat het onderzoeksmateriaal vernietigd of zelfs merkbaar beschadigd wordt, in een tijdsbestek van minuten oppervlaktanalyses gemaakt worden van willekeurig welk materiaal. Om de bestaande kennis en kundigheden in Eindhoven dienstbaar te maken aan anderen werd in 1997 het expertisecentrum Calipso BV opgericht. Er is daar inmiddels een keur van binnen- en buitenlandse gebruikers. Onlangs kwam zelfs een medewerker van een ertswinningsbedrijf uit Australië speciaal naar Eindhoven voor het laten doen van metingen. Een volgende stap zal zijn een geschikt bedrijf te vinden dat de EARISS kan commercialiseren. Belangstelling van gebruikers lijkt verzekerd.

Katalysatoren, keramiek en nog veel meer
Oppervlakken spelen bij allerlei processen en verschijnselen een cruciale rol en dus is de informatie zoals de EARISS die levert op vele plaatsen welkom. Brongersma geeft tal van voorbeelden. "Ik wil niet onbescheiden zijn, maar onze techniek is de beste om naar de buitenste atoomlaag van een katalysator te kijken. Wij kunnen bijvoorbeeld bepalingen doen van de hoeveelheden van zogeheten promoters, de stoffen die de reacties aan de katalysator bevorderen. Dit lukt zelfs op de ruwste volledig isolerende katalysatoren. We hebben hier gebruikers uit Nederland, maar bijvoorbeeld ook uit Finland en de Verenigde Staten." Net als katalysatoren is keramiek een onderwerp waar industrieel gezien veel geld in omgaat en behoefte is aan een beter begrip van de cruciale processen. "In vaste brandstofcellen bijvoorbeeld is het keramische oppervlak bepalend voor de snelheid van de processen en dus voor het vermogen van de cel. Hier is de vraag wat de optimale oppervlaktesamenstelling is om zuurstof te binden en het vervolgens weer door te geven. Wij kunnen zien waar de zuurstof gaat zitten en wat er daarna gebeurt. We hebben hieraan onderzoek gedaan in samenwerking met diverse buitenlandse partners en gefinancierd door de Japanse overheid (Nedo)," aldus Brongersma. Ook is onderzoek gedaan met het Energieonderzoek Centrum Nederland. Hechten is een ander proces waaraan de EARISS nieuwe inzichten biedt. "Bij hechten bindt materiaal zich aan een ondergrond en wel aan chemisch functionele groepen in het ondergrondmateriaal; die groepen moeten daarvoor wel naar het oppervlak gekeerd zijn. Subtiele verschillen in polymeren kunnen dit bevorderen of belemmeren en wij kunnen met de EARISS die verschillen opmerken." Een heel ander gebied vormen 'emitters' van elektronen (er zit er een in ieder tv-toestel). "De buitenste atomen van het oppervlak bepalen hoe goed de elektronen uitgezonden worden en daar is dus weer kennis over dat oppervlak nodig. We doen hier samen met Philips onderzoek aan."

Brongersma heeft nog wel een droom. Een draagbare EARISS, waardoor je naar de 'klant' toe kunt. Wie ziet hoe compact de derde generatie EARISS in Calipso is en Brongersma's enthousiasme heeft geproefd, kan zich haast niet anders voorstellen dan dat ook die draagbare versie er komt.