Met bouwstenen op atoomschaal die vergeleken zijn met microscopisch Lego, kunnen onderzoekers spelen met de eigenschappen van gewone materialen, en de mogelijkheden zijn zo groot dat het wetenschappers de komende 50 jaar bezig kan houden.

Van het stenen tijdperk tot Silicon Valley, materialen hebben de technologische mogelijkheden van beschavingen bepaald.

Professor Andre Geim van de Universiteit van Manchester in het VK is goed bekend met de toolbox die vandaag beschikbaar is. In 2010, hij kreeg de Nobelprijs voor de natuurkunde omdat hij deze uitbreidde met een exotische vorm van koolstof die bekend staat als grafeen.

In tegenstelling tot materialen uit de natuur, grafeen is een creatie van de wetenschap. Het is van grafiet afgepeld in honingraatmotieven zo dun als een enkel atoom. De kwantumwetten die op deze kleine schalen heersen, zorgen ervoor dat elektronen op ongebruikelijke manieren door grafeen bewegen.

'Grafeen kan sterker zijn dan staal, geleidend dan koper en zo transparant als glas, ' zei prof. Geim. 'Het is anders dan alle stoffen die in de natuur voorkomen.'

Nutsvoorzieningen, als onderdeel van het ARTIMATTER-project dat wordt gefinancierd door de Europese Onderzoeksraad van de EU, Prof. Geim past materie aan met nog meer bizarre kenmerken door grafeen op andere atomair dunne materialen te stapelen.

Het mixen en matchen van tweedimensionale lagen gemaakt van verschillende elementen geeft aanleiding tot opmerkelijke fysieke eigenschappen. Volgens prof. Geim, de juiste combinatie van bouwstenen kan van isolatiemateriaal geleiders maken, stem de kleuren af ​​die ze absorberen, en het gedrag van elektronen erin synchroniseren.

Deze mogelijkheden komen voort uit diepgaande veranderingen in hoe de materialen zich gedragen. Goed ingepakt, ze kunnen gevestigde barrières in moderne elektronica overwinnen, zoals het verminderen van de responstijd van ver-infrarooddetectoren, of misschien zelfs het in stand houden van supergeleiding bij kamertemperatuur.

De nieuwe bouwstenen bieden ook hulpmiddelen om wetenschappelijke theorieën te testen en nieuwe fenomenen te verkennen. Wat we van hun excentriciteiten leren, kan toekomstige technologie net zo ingrijpend beïnvloeden als de halfgeleiderfysica de computer- en telecommunicatiesector vandaag heeft getransformeerd.

Oneindige mogelijkheden

'Wetenschappelijk gezien, grafeen is klaar. We begrijpen nu hoe het werkt en vinden er toepassingen voor, ' zei prof. Geim. 'Maar de mogelijkheden om grafeen te combineren met andere atomair dunne materialen zijn bijna oneindig. Ik zie dit Lego-werk de komende 50 jaar niet klaar zijn.'

Een van de redenen waarom het moeilijk is om de mogelijke uitkomsten van nanoscopische bouwstenen te voorspellen, is dat de computers die berekenen hoe ze in elkaar passen, niet krachtig genoeg zijn om rekening te houden met hun volledige complexiteit.

Dr. Barbara Capone van de Universiteit van Wenen, Oostenrijk, en Roma Tre Universiteit, Italië, werkt aan polymeren - lange ketens van atomen die miljoenen keren dezelfde volgorde herhalen.

Hoewel gegevensverwerkers kunnen voorspellen hoe deze bouwstenen zich gedragen wanneer ze alleen of in dichte trossen staan, ze kunnen geen reacties volgen die plaatsvinden wanneer schaarse polymeerconcentraties zich met elkaar vermengen.

'We kunnen simuleren hoe individuele atomen zich gedragen in afzonderlijke moleculen, en voor dichte concentraties, we kunnen miljarden knikken en eigenaardigheden uitgemiddelden, ' zei dokter Capone. 'Maar wat er tussen deze uitersten gebeurt, blijft mysterieus omdat er te veel moleculen zijn om te volgen en te weinig om van te generaliseren.'

hapklare

Dr. Capone heeft jaren besteed aan het verfijnen van statistische methoden in de theoretische natuurkunde om computers te helpen om te gaan met de complexiteit. In plaats van elk puzzelstukje tegelijk te volgen, ze groepeert reacties in hapklare regio's en modelleert interacties tussen hun lokale gemiddelden. Wanneer toegepast op schaarse polymeerconcentraties, haar vereenvoudigingen onthullen juweeltjes onder de stoornis.

'Deze polymeren zijn opmerkelijke bouwstenen, ' zei dokter Capone. 'Afhankelijk van hoe lang en compact we ze maken, of hoe we de kettingen op elkaar enten, ze vouwen in totaal andere vormen.'

In principe, de juiste mix van ingrediënten kan zich spontaan vormen in de kubieke kolommen van gewone halfgeleidende kristallen, het amorfe netwerk van glas, of zelfs de honingraatstructuur van grafeen.

Dit is welkom nieuws voor iedereen die aan materialen voor elektronica werkt. Het beeldhouwen van de perfecte atomaire rasters die nodig zijn om hoogwaardige transistors of zonnecellen te bouwen, vereist momenteel enorme hoeveelheden tijd en energie.

Collega's van dr. Capone zetten experimentele stappen naar een andere toepassing. Als onderdeel van het door de EU gefinancierde NANODRIVE-project, ze zullen stervormige polymeren produceren die instorten bij reactie met een bepaalde verbinding en vervolgens hun lading vrijgeven bij het bereiken van een gewenste omgeving.

Dit is in wezen hoe medicijnen chemicaliën afgeven, alleen doen ze dat met kronkelig gecompliceerde moleculen. Vereenvoudiging van de componenten zou het proces economischer en veelzijdiger kunnen maken.

'De mogelijkheden zijn eindeloos, ' zei dokter Capone, die deze maand NANODRIVE lanceren. 'Met een paar aanpassingen, deze polymeren zouden structuren kunnen vormen die verontreinigende stoffen inkapselen en uit het drinkwater filteren.'

Dr. Capone zegt dat ze enthousiast is over zowel de sociale voordelen die een dergelijke technologie kan bieden in noodsituaties als het inzicht dat basisbouwstenen kunnen bieden op fysieke, chemische en biologische processen die plaatsvinden op nanoschaal.

'Ik ben altijd al geïnteresseerd geweest in het vinden van de eenvoudigste manier om iets ingewikkelds te doen, ' zei dokter Capone. 'Het is vaak de beste manier om te begrijpen hoe het werkt.'