Meer weten over hoe u deze blog kan steunen?

Twee weken geleden is er een cursus gestart aan de universiteit van leiden, voor goed lerende middelbare scholieren over nanotechnologie. Aangezien dit voor het grootste deel over quantum mechanica gaat, dacht ik dat het leuk was als ik iets hiervan deelde.

Een van de dingen die mij het meeste verbaasde was dat onlangs het feit dat we over het algemeen weinig begrijpen van de quantum mechanica, er wel toepassingen voor hebben gevonden. Een hiervan is de raster tunnel microscoop (STM=Scanning tunneling microscope). Dit is een microscoop die gebruik maakt van een quantum mechanisch effect genaamd tunneling.

Electronen worden aangetrokken door atoomkernen. Als een electron in een metaal zit, zijn er veel atoomkernen in de buurt en aangezien de buitenste electronen een beetje los zitten, golven die vrolijk door het metaal heen. Maar om door een vacuum naar bijvoorbeeld een andere positieve lading te springen, is een enorme hoeveelheid energie nodig volgens de klassieke natuurkunde. Hoe groter het vacuum, hoe meer energie nodig is.
De grap is, dat electronen die die energie niet hebben, toch wel eens overspringen. Dit heet tunneling. Een electron kan je weergeven als een golf van waarschijnlijkheid, de waarschijnlijkheid dat je een electron op een bepaalde plaats zal aantreffen. Binnen een metaal is dat een mooie sinusoide, maar in een vacuum neemt de kans dat je het electron er aantreft exponentieel af. Dus hier geldt: hoe groter het vacuum, hoe kleiner de kans dat er electronen over springen.

De STM werkt niet, zoals optische microscopen, met licht, maar tast het oppervlak van een materiaal af met een microscopisch kleine naald. Deze punt van deze naald bevat maar een atoom, waarmee met zeer kleine afstanden over het oppervlak wordt bewogen. Zowel op de naald als op het te scannen materiaal staat een zeer kleine spanning, die het tunnelen mogelijk maakt. Het te scannen materiaal moet dus een metaal of halfgeleider zijn, anders werkt het trucje niet. Door het tunnelen gaat er een zeer kleine stroom lopen tussen naald en preparaat. Als de afstand tussen preparaat en naald een heel klein beetje veranderd, zal de stroom sterk afwijken en zal de computer de hoogte van de naald aanpassen totdat de oude stroom weer bereikt is. Zo wordt een reliefkaart van het preparaat gevormd. Dit proces verloopt zo precies dat de verschillende atomen zichtbaar gemaakt kunnen worden. Je krijgt dan zo’n beeld:

De kleuren zijn niet waarheidsgetrouw, aan elke hoogte is een kleur toegekend.

Dit kan tegenwoordig zo snel dat je zelfs filmpjes kunt maken van bijvoorbeeld indium atomen die over een koperoppervlak bewegen. Ook kunnen we met dit principe materialen atoom voor atoom opbouwen.

Hoe de microscoop verder werkt, dus hoe er met zulke kleine afstanden en zo precies bewogen kan worden(en ook zo snel) zal ik even kort uitleggen. Er wordt gebruik gemaakt van een zogenaamde piezomotor. Piezo is een keramiek dat wanneer er een spanning op komt te staan, ombuigt. Zowel in het mechaniek dat de naald beweegt als in het mechaniek dat het preparaat naar de naald toe haalt zijn piezo elementen gebruikt.

Ik hoop dat het duidelijk was