Wetenschappers uit San José (Californië) en Regensburg zijn er voor het eerst in geslaagd de kracht te meten die nodig is voor het vervaardigen van de kleinste structuren, opgebouwd uit afzonderlijke atomen. Deze meting van de drijvende krachten van de nanostructuur is vooral belangrijk voor de informatietechnologie. De foto toont de punt van een atoomkrachtmicroscoop (bruin), die de kracht meet dit nodig is om een kobaltatoom (de gele bol) over een kristallijn oppervlak te bewegen (foto: IBM).
Voor het eerst is het onderzoekers van IBM en de Universiteit van Regensburg gelukt de minimale krachten te meten die werkzaam zijn bij de constructie van de kleinst mogelijke kunstmatige structuren uit afzonderlijke atomen. Deze fundamentele metingen zijn van belang voor de identificatie van geschikte chemische elementen voor schakelingen met atomaire dimensies in de toekomst, zoals computer- en geheugenchips en dergelijke.
Twintig jaar
Ongeveer twintig jaar geleden realiseerde Don Eigler van IBM met zijn medewerkers in een laboratorium vol apparatuur een geweldige doorbraak: de gerichte plaatsing van atomen, de kleinste stabiele materiaaldeeltjes. Ze schreven de letters I-B-M met afzonderlijke atomen van het edelgas xenon. Nu kunnen medewerkers van hetzelfde laboratorium, in samenwerking met de Universiteit van Regensburg, de minieme krachten meten, die werken bij het verschuiven van aparte atomen.
Het begrip van krachten, die bij het schikken van aparte atomen op oppervlakken werkzaam zijn, zijn elementair voor de planning en de opbouw van elke constructie met atomaire afmetingen. Zo heeft men bijvoorbeeld voor de bouw van een motor op nanoschaal losse atomen nodig voor bewegende delen als tandwielen, hefbomen en schakelaars. Voor een stabiele behuizing is het echter weer belangrijk om atomen te vinden die stevig aan de oppervlakte hechten en niet gemakkelijk kunnen worden verschoven.
Het probleem lijkt op door horden, die wetenschappers en ingenieurs bij de macroscopische gebouwen moeten nemen. Het zou onmogelijk zijn om bruggen te bouwen zonder nauwkeurige kennis van de sterkte van de materialen, de werkende krachten en de onderling invloeden. “Het resultaat toont de weg naar nieuwe dataopslagelementen en zal ook het begrip van biologische structuren en moleculaire wisselwerkingen verbeteren,” zegt Gian Luca Bona, senior manager bij het IBM onderzoekscentrum.
Pico-Newtons
In de publicatie ‘The force needed to move an atom on a surface’ in Journals Science van 22 februari tonen de wetenschappers aan dat de kracht van 210 pN (pico-Newton) nodig is om één kobaltatoom over een glad platinaoppervlak te bewegen, terwijl één kobaltatoom op een koperoppervlak al met een kracht van 17 pN in beweging komt. Ter vergelijking: om een eurocent met een massa van ongeveer 3 gram op een oppervlak te laten bewegen moet een kracht van ongeveer 30 miljard pico-Newton worden gebruikt. Deze wetenschap levert een beter begrip op van processen, die de basis vormen van de nanotechnologie en ondersteunt de industriële vooruitgang op gebieden als de medische- en informatietechniek op nanoschaal.
Waarom is dit belangrijk?
De bekende trend in de computertechniek (het exponentieel stijgende aantal transistoren dat in een geïntegreerde schakeling zit) is algemeen bekend als de wet van Moore. De verkleining van de transistoren vermindert het energieverbruik, de warmteontwikkeling en kosten en vergroot tegelijkertijd de snelheid en betrouwbaarheid. De ontwikkeling van nieuwe methoden voor de vervaardiging van de kleinste schakelkringen is de belangrijkste uitdaging voor de computerindustrie.
Als men deze schakelingen met de kleinst mogelijke afmetingen van slechts enkele atomen kan brengen zou dat volledig nieuwe ontwerpen en productiesystemen mogelijk maken. En precies daar vult de kennis van de krachten, die bij atomaire manipulaties werken, een beduidend gat: het begrip en de sturing bij de bouw van nanostructuren, atoom voor atoom.
Hoeveel kracht is nodig om een enkel atoom te bewegen?
Vijftig jaar geleden vroeg Nobelprijswinnaar Richard Feynman tijdens zijn gedenkwaardige voordracht ‘ There is plenty of room at the bottom’, welke mogelijkheden zouden worden geopend als men apart atomen naar believen kon schikken. Deze droom is nu realiteit. Momenteel wordt atomaire manipulatie op brede schaal in de wetenschap gebruikt om atomaire structuren te bouwen, te veranderen en te meten. De fundamentele vraag, welke kracht hebben we nodig om een atoom te verschuiven’, bleef echter tot nog toe ontoegankelijk voor het experimentele onderzoek.
In het gepubliceerde artikel beschrijven de wetenschappers het gebruik van een gevoelige rasterkracht microscoop om zowel grootte als richting van de kracht te meten die een scherpe punt op het atoom uitoefent tijdens het verschuiven. Het team bemerkte, dat de kracht sterk afhangt van het soort atoom en de ondergrond. Voor een klein molecuul geeft dat een heel andere kracht dan voor een metaalatoom.
De krachtmicroscoop werd meer dan twintig jaar geleden in gebruik genomen door Gerd Binnig (IBM-medewerker en Nobelprijswinnaar), Christoph Gerber (IBM medewerker) en Calvin Quate (hoogleraar aan de Stanford-Universiteit). Het instrument werd al ingezet voor de meting van atomaire krachten, maar nog nooit met zoveel precisie.
“Het is verbazingwekkend, dat de minieme krachten die bij het verschuiven van atomen werken, met een krachtsensor kunnen worden gemeten, die in principe berust op een kwartsstemvork, die trilt in elk gebruikelijke kwartsuurwerk”, aldus professor Frans Giessibl van de Universiteit Regensburg, de uitvinder van de stemvork krachtsensor.
