'Ademende' nanobuizen: op weg naar nanomechanica
Een koolstof nanobuis kan plaatselijk heel snel opzwellen en ook weer inkrimpen wanneer lokaal elektronen de buis in worden gestuurd. Deze mechanische actie kan zich na injectie van één elektron tot wel 20.000 keer herhalen, voordat de buis weer tot rust is gekomen. Deze beweging zorgt op zijn beurt voor een kleine verandering in de stroom die door de buis loopt. Onderzoekers van het Kavli Instituut voor Nano-onderzoek aan de Technische Universiteit Delft en van de Stichting FOM hebben als eersten de invloed van deze trillingen op het stroomverloop gemeten. Zij publiceren hun bevindingen in de Nature van 18 november 2004. Een mechanische beweging van de buis leidt dus tot veranderingen in zijn elektrische eigenschappen. Voor het denken aan toepassingen voor deze nanomechanica is het nog veel te vroeg, maar een idee zou kunnen zijn dit principe te gebruiken voor het verwerken van hoog-frequente signalen.
In atomen en moleculen hebben elektronen een zekere mate van bewegingsvrijheid. Ook trillen atomen en moleculen altijd. Het samenspel van die twee effecten heeft direct invloed op de scheikundige en natuurkundige eigenschappen van moleculaire systemen. Onderzoekers zijn dan ook zeer geïnteresseerd in dat samenspel. Van oudsher laat zich dat via allerlei optische systemen (als fluorescentie, absorptie en Raman-spectroscopie) goed bestuderen. De laatste jaren kunnen onderzoekers dit samenspel steeds beter volgen, tot op het niveau van afzonderlijke moleculen, en het zelfs beïnvloeden met de zogeheten scanning tunneling microscoop (STM). Deze microscoop bestaat in wezen uit een superscherp naaldje dat vlak bij een vast oppervlak gebracht kan worden. Met een STM kunnen onderzoekers plaatselijk elektronen in een materiaal aanbrengen en trillingen oproepen of deze eraan onttrekken.
De mogelijkheden om afzonderlijke moleculen te manipuleren hebben grote belangstelling omdat ze moleculaire elektronica binnen bereik brengen. In een wereld waarin de micro-elektronica alsmaar verder miniaturiseert is dit een veelbelovende ontwikkeling. Moleculaire elektronica maakt 'devices' (schakelingen, microscopisch kleine apparaten) mogelijk met functionaliteiten die via gewone halfgeleidertechnologie niet gerealiseerd kunnen worden. Voordat bruikbare toepassingen aan de orde zijn, moet evenwel bijvoorbeeld het samenspel tussen elektrische stroom door een molecuul en trillingen in dat molecuul beter begrepen worden. Een dankbaar modelsysteem daarvoor is de koolstof nanobuis. Dat is een langgerekt cilindervormig molecuul bestaande uit een groot aantal koolstofatomen die in een regelmatige structuur aan elkaar zijn gebonden.
Brian LeRoy, Serge Lemay (NWO/GBN-Vidi), Jing Kong (FOM-oio) en Cees Dekker, allen werkzaam in het Kavli Instituut voor Nano-onderzoek aan de Technische Universiteit Delft, hebben een soort hangbrug van een nanobuis gemaakt om het samenspel tussen stroom en trilling te onderzoeken. Ze gebruikten nanobuizen van één nanometer (een miljoenste millimeter) in doorsnede die ze over twee metaalcontacten heen legden. De afstand tussen de contacten was 100 nanometer en de nanobuizen hingen daar dus vrij boven. Met een STM brachten ze vervolgens elektronen in het vrijhangende deel van de nanobuis in. Vervolgens constateerden ze dat de nanobuizen met een karakteristieke frequentie gingen trillen. Voerden ze meer elektronen toe, dan werd de trilling sterker. De verklaring is dat een deel van de elektrische stroom die door de nanobuizen gaat lopen omgezet wordt in energie die koolstofatomen ter plaatse sterker aan het trillen brengt. Hierdoor zetten de buizen daar uit. De bindingen tussen de atomen worden echter niet overwonnen en dus keren de atomen snel terug naar hun oorspronkelijke positie. Zolang er voldoende energie beschikbaar is herhaalt zich dit gedrag. De buizen komen in een soort 'ademende' beweging. De metingen in Delft wijzen uit dat de nanobuizen pas na ongeveer 20.000 trillingen weer tot rust zijn gekomen. Dat duurt ongeveer 10 nanoseconden wat voor zo'n kleine oscillator als een nanobuis erg lang is.
Voor meer informatie kunt u contact opnemen met de leider van de onderzoeksgroep prof.dr. Cees Dekker, telefoon: (015) 278 14 28 of met postdoctoraal onderzoeker dr. Brian LeRoy, telefoon: (015) 278 50 48.